Traitement et épuration des eaux usées

## Objectifs et prérequis **Objectifs** À la fin de ce chapitre l’élève sera capable de : - Expliquer les principes physiques et chimiques de la décantation, de la filtration, de la coagulation et de l’adsorption appliqués aux eaux usées. - Réaliser le schéma fonctionnel d’une unité de traitement comprenant décantation, coagulation‑flocculation et adsorption. - Dimensionner un bassin de décantation primaire, un filtre à sable et une colonne d’adsorption à partir de données de débit et de qualité d’eau. - Calculer la dose optimale d’un coagulant (sulfate d’aluminium ou chlorure ferrique) et la masse d’adsorbant nécessaire pour atteindre une concentration cible. - Appliquer les règles de sécurité, d’hygiène et les normes camerounaises de rejet (arrêté MINEE 2022) lors de la manipulation des produits et des boues. **Prérequis** - Notions de chimie générale : solutions, pH, réactions d’hydrolyse, équilibre acide‑base. - Notions de physique des fluides : viscosité, débit, perte de charge, nombre de Reynolds. - Bases de microbiologie : charge polluante (DCO, DBO5) et indicateurs de qualité. - Lecture de schémas de procédés et interprétation de courbes (isothermes, courbes de sédimentation). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la croissance urbaine (Douala, Yaoundé, Garoua) et le développement industriel (agroalimentaire, textile, mines) augmentent la charge polluante des rejets liquides. Les eaux usées domestiques contiennent en moyenne 200 mg/L de DCO et 150 mg/L de DBO5, tandis que les effluents industriels peuvent présenter des concentrations de phénol, d’hydrocarbures ou de métaux lourds dépassant les limites autorisées par l’arrêté MINEE n° 001/MINESEC/IGE du 12 mars 2022 (DCO ≤ 60 mg/L, turbidité ≤ 5 NTU, phénol ≤ 0,5 mg/L). Le traitement par **décantation/filtration** élimine les matières en suspension grossières, la **coagulation‑flocculation** destabilise les colloïdes et les particules fines, et l’**adsorption** sur charbon actif ou zéolithe capture les polluants dissous (phénol, colorants, ammonium). Ces trois opérations, souvent enchaînées, constituent le cœur d’une station d’épuration de type « traitement primaire‑secondaire » adaptée aux contraintes techniques et économiques des PME camerounaises. --- ## I. Traitement des eaux usées par décantation/filtration ### A. Principes de la décantation La décantation repose sur la sédimentation des particules sous l’action de la gravité. La vitesse de sédimentation d’une particule sphérique est donnée par la loi de Stokes (valide pour Re < 1) : \[ v_s = \frac{2}{9}\,\frac{(\rho_p-\rho_f)\,g\,r^2}{\mu} \] où \(v_s\) = vitesse de sédimentation (m s⁻¹), \(\rho_p\) et \(\rho_f\) = densités de la particule et du fluide (kg m⁻³), \(g\) = 9,81 m s⁻², \(r\) = rayon de la particule (m), \(\mu\) = viscosité dynamique du fluide (Pa·s). Les paramètres influençant la décantation sont : taille des particules, différence de densité, viscosité du liquide et concentration en solides (effet de hindered settling). **Types de décanteurs** - **Bassin de décantation primaire** : cuve rectangulaire ou circulaire, temps de résidence typique 1,5‑3 h. - **Décanteur à flux lamellaire** : plaques inclinées augmentant la surface effective de sédimentation. - **Décanteur à circulation** : boucle interne permettant un contrôle précis du débit de montée. > **>** *Vitesse de montée* \(V_h = \dfrac{Q}{A}\) (m h⁻¹) où \(Q\) = débit entrant (m³ h⁻¹) et \(A\) = surface horizontale du bassin (m²). Pour éviter le dépassement des particules, on impose \(V_h < v_s\). ### B. Filtration La filtration retient les particules qui échappent à la décantation par mécanismes de rétention mécanique, d’effet de ponte et d’adsorption de surface sur le milieu filtrant. **Types de filtres** - **Filtre à sable** : lit de sable siliceux (0,6‑0,8 mm) soutenu par du gravier. - **Filtre à anthracite** : matériau plus léger, permet des vitesses de filtration plus élevées. - **Filtres membranaires** : microfiltration (0,1‑10 µm) ou ultrafiltration (0,01‑0,1 µm) pour une rétention quasi‑totale des colloïdes. **Paramètres de fonctionnement** - Débit de filtration \(v_f = Q/A_f\) (m h⁻¹). - Perte de charge \(\Delta H\) mesurée par un manomètre; un \(\Delta H\) excessif indique un colmatage nécessitant un lavage à contre‑courant. - Cycles de lavage : eau et/ou air à contre‑courant pendant 5‑10 min, suivi d’un rinçage. > **>** *Règle de dimensionnement d’un filtre à sable* : surface nécessaire \(A_f = Q / v_f\) avec \(v_f\) généralement fixé entre 5 et 15 m h⁻¹ selon la qualité de l’eau brute. **Exemple chiffré** – Dimensionnement d’un filtre à sable pour un débit de 10 m³ h⁻¹, vitesse de filtration choisie 10 m h⁻¹ : \[ A_f = \frac{10\ \text{m}^3\text{h}^{-1}}{10\ \text{m}\text{h}^{-1}} = 1\ \text{m}^2 \] On adopte un lit de sable de hauteur 0,6 m et un lit de gravier de soutien 0,2 m. Le volume de sable nécessaire est \(V_{sable}=A_f \times 0,6\ \text{m}=0,6\ \text{m}^3\) (≈ 600 kg, densité apparente 1,6 t m⁻³). ### C. Sécurité et hygiène - Port d’EPI : gants nitrile, lunettes de protection, masque anti‑poussière lors du chargement du sable ou du gravier. - Surveillance du niveau d’eau pour éviter les débordements qui pourraient entraîner la perte de boues chargées en pathogènes. - Nettoyage régulier des dispositifs de mesure de débit et de perte de charge afin d’éviter les erreurs de dimensionnement. > **>** *Consigne de sécurité* : jamais entrer dans un décanteur en fonctionnement sans avoir préalablement isolé l’arrivée et la sortie et vérifié la présence d’oxygène (analyseur O₂ > 19,5 %). --- ## II. Traitement des eaux usées par coagulation ### A. Principe de coagulation La coagulation vise à neutraliser la charge électrique des colloïdes (argiles, matières organiques) afin de permettre leur agrégation en flocs décantables. Le coagulant se hydrolyse en espèces hydroxyées qui précipitent sous forme de flocs métalliques (Al(OH)₃, Fe(OH)₃) qui enserrent les particules. **Coagulants usuels** - Sulfate d’aluminium : \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3·18\text{H}_2\text{O}\) (alun). - Chlorure ferrique : \(\text{FeCl}_3·6\text{H}_2\text{O}\). - Polymères organiques (polyacrylamide anionique ou cationique) utilisés comme flocculants après coagulation primaire. Réactions d’hydrolyse (exemple avec l’alun) : \[ \text{Al}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Al(OH)}_3(s) + 3\text{H}^+ \] \[ \text{Fe}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{Fe(OH)}_3(s) + 3\text{H}^+ \] Le pH de l’eau influence fortement l’efficacité ; la plage optimale pour l’alun est pH 5,5‑6,5, pour le chlorure ferrique pH 4,5‑5,5. ### B. Étapes du procédé 1. **Mélange rapide (flash mixing)** : injection du coagulant, temps de contact 10‑30 s, gradient de vitesse \(G\) élevé (300‑500 s⁻¹) pour assurer une dispersion homogène. 2. **Flocculation lente** : agitation douce, temps 20‑40 min, \(G\) faible (20‑50 s⁻¹) permettant la croissance des flocs sans les briser. 3. **Séparation** : décantation (bassin ou lamellaire) ou flottation selon la densité des flocs. **Formule du gradient de vitesse** \[ G = \sqrt{\frac{P}{\mu V}} \] où \(P\) = puissance dissipée (W), \(\mu\) = viscosité dynamique (Pa·s), \(V\) = volume du réacteur (m³). **Dose de coagulant** \[ C_{\text{coag}} (\text{mg L}^{-1}) = \frac{m_{\text{coag}} (\text{mg})}{V_{\text{eau}} (\text{L})} \] ### C. Exemple chiffré Eau brute : turbidité 150 NTU, pH 6,8. Après essais de jar test, la dose optimale de sulfate d’aluminium est déterminée à 30 mg L⁻¹ pour atteindre une turbidité < 5 NTU. Débit de l’usine : 20 m³ h⁻¹. Masse de coagulant nécessaire par heure : \[ m = C \times Q \times t = 30\ \frac{\text{mg}}{\text{L}} \times 20\ \frac{\text{m}^3}{\text{h}} \times 1\ \text{h} \times 1000\ \frac{\text{L}}{\text{m}^3} = 600\,000\ \text{mg}=0,6\ \text{kg h}^{-1} \] Par jour (24 h) : \(0,6 \times 24 = 14,4\ \text{kg}\) de sulfate d’aluminium. ### D. Normes et sécurité - **Norme de rejet** (arrêté MINEE 2022) : turbidité ≤ 5 NTU, DCO ≤ 60 mg L⁻¹, concentration d’aluminium résiduelle ≤ 0,2 mg L⁻¹ (pour éviter la toxicité). - **Sécurité** : les sels d’aluminium et le chlorure ferrique sont corrosifs ; porter gants résistants aux acides, lunettes de protection et tablier. Travailler sous hotte ou dans un espace bien ventilé afin d’éviter l’inhalation de poussières ou de vapeurs acides. - **Stockage** : dans des conteneurs étanches, éloignés des bases fortes (risque de dégagement de chaleur). > **>** *Règle de sécurité* : toujours ajouter le coagulant à l’eau en agitation rapide, jamais l’inverse, pour éviter les projections localisées de solution concentrée. > **>** *Formule de dosage journalier* : \(M_{\text{jour}} = C_{\text{coag}} (\text{mg L}^{-1}) \times Q (\text{m}^3\text{h}^{-1}) \times 24\ \text{h} \times 1000\ (\text{L m}^{-3}) / 10^6\) (résultat en kg). --- ## III. Traitement des eaux par adsorption ### A. Principe d’adsorption L’adsorption est l’accumulation de molécules (adsorbat) à la surface d’un solide (adsorbant) grâce à des forces physiques (van der Waals) ou chimiques (liaisons covalentes/ioniques). - **Physisorption** : réversible, faible enthalpie (≈ 20‑40 kJ mol⁻¹). - **Chemisorption** : irréversible ou peu réversible, enthalpie élevée (≈ 80‑200 kJ mol⁻¹). Les isothermes les plus utilisées sont : - **Langmuir** : \(\displaystyle q_e = \frac{q_{\max} K_L C_e}{1 + K_L C_e}\) - **Freundlich** : \(\displaystyle q_e = K_F C_e^{1/n}\) où \(q_e\) = quantité adsorbée à l’équilibre (mg g⁻¹), \(C_e\) = concentration d’équilibre dans le liquide (mg L⁻¹), \(q_{\max}\) = capacité maximale (mg g⁻¹), \(K_L\) et \(K_F\) = constantes. ### B. Adsorbants courants au Cameroun | Adsorbant | Origine / Préparation | Polluants cibles | Capacité typique (qmax) | |-----------|----------------------|------------------|------------------------| | Charbon actif granulaire (CAG) | Coques de noix de coco, activation vapeur 800‑900 °C | Phénol, colorants, hydrocarbures aromatiques | 120‑180 mg g⁻¹ (phénol) | | Zéolithe naturelle (clinoptilolite) | Carrière de l’Est, traitement thermique 500 °C | Ammonium NH₄⁺, métaux lourds (Pb²⁺, Cd²⁺) | 20‑35 mg g⁻¹ (NH₄⁺) | | Résine échangeuse d’ions (type forte base) | Polymère styrène‑divinylbenzène, fonction groupe –SO₃⁻ | Nitrates, arsenate | 30‑50 mg g⁻¹ (NO₃⁻) | ### C. Procédé en colonne Une colonne d’adsorption fonctionne en mode continu ou en batch. En mode continu, on définit : - Débit linéaire \(u = Q/A\) (m h⁻¹). - Temps de contact \(t_c = L/u\) où \(L\) = hauteur du lit (m). - Hauteur de colonne \(H = L\). Le point de percée est atteint lorsque le rapport \(C/C_0\) à l’effluent atteint une valeur critique (souvent 0,05 = 5 %). **Calcul de la masse d’adsorbant nécessaire** (approximation du modèle du lit vide) : \[ M = \frac{Q \, t \, (C_0 - C_e)}{q_{\max}} \] où \(Q\) = débit (L h⁻¹), \(t\) = temps de service souhaité (h), \(C_0\) et \(C_e\) = concentrations initiale et finale (mg L⁻¹), \(q_{\max}\) = capacité d’adsorption (mg g⁻¹). ### D. Exemple chiffré Eau contenant du phénol à 20 mg L⁻¹, objectif < 0,5 mg L⁻¹. On utilise du charbon actif granulaire avec \(q_{\max}=150\) mg g⁻¹ (phénol). Débit \(Q = 5\) m³ h⁻¹ = 5000 L h⁻¹. Temps de service visé \(t = 8\) h. \[ M = \frac{5000\ \text{L h}^{-1} \times 8\ \text{h} \times (20 - 0,5)\ \text{mg L}^{-1}}{150\ \text{mg g}^{-1}} = \frac{5000 \times 8 \times 19,5}{150}\ \text{g} = \frac{780\,000}{150}\ \text{g} = 5200\ \text{g}=5,2\ \text{kg} \] Il faut donc prévoir environ **5,2 kg** de charbon actif pour assurer 8 h de traitement à ce débit. Après saturation, le charbon est régénéré par lavage à contre‑courant avec une solution de NaOH 0,5 N suivie d’un rinçage à l’eau chaude (80‑90 °C) puis séchage à 120 °C. > **>** *Isotherme de Langmuir* : \(q_e = \dfrac{q_{\max} K_L C_e}{1 + K_L C_e}\) – utilisée pour déterminer \(q_{\max}\) à partir d’essais d’équilibre en batch. > **>** *Consigne de sécurité* : manipuler le charbon actif avec un masque anti‑poussière (classe P2) car les particules fines peuvent être irritantes pour les voies respiratoires. ### E. Régénération et élimination - **Régénération** : lavage à contre‑courant (eau, vapeur ou solution alcaline) suivi d’un séchage; permet de récupérer 70‑90 % de la capacité initiale selon le polluant. - **Élimination** : les boues saturées, lorsqu’elles ne peuvent plus être régénérées, sont traitées comme déchets dangereux (décret n° 2018/045 du MINEE) et stockées dans des fûts étanches avant transport vers un centre de traitement agréé. --- ## Synthèse du chapitre - **Décantation/filtration** : sédimentation gravitaire (loi de Stokes), vitesse de montée \(V_h = Q/A\); dimensionnement du bassin et du filtre à sable; port d’EPI, surveillance du débordement. - **Coagulation‑flocculation** : neutralisation de charge par hydrolysats d’Al³⁺/Fe³⁺, mélange rapide (G élevé) puis flocculation lente (G faible); dosage \(C_{\text{coag}} = m/V\); respect des limites d’aluminium résiduel et de turbidité. - **Adsorption** : adhésion de molécules à la surface d’un solide (charbon actif, zéolithe, résine); isotherme de Langmuir; calcul de la masse d’adsorbant \(M = Q t (C_0-C_e)/q_{\max}\); régénération par lavage alcalin et séchage; manipulation avec masque anti‑poussière. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Décantation | Séparation par gravité des particules en suspension basée sur leur vitesse de sédimentation. | | Vitesse de montée \(V_h\) | Débit volumique divisé par la surface horizontale du décanteur (m h⁻¹). | | Coagulation | Processus de destabilisation des colloïdes par ajout d’un coagulant qui hydrolyse en espèces hydroxyées precipitantes. | | Flocculation | Agglomération douce des microflocs en flocs décantables après coagulation. | | Gradient de vitesse \(G\) | Mesure de l’intensité du mélange, \(G = \sqrt{P/(\mu V)}\) (s⁻¹). | | Adsorption | Accumulation d’un adsorbat à la surface d’un adsorbant par forces physiques ou chimiques. | | Isotherme de Langmuir | Modèle décrivant l’adsorption monocouche : \(q_e = \frac{q_{\max} K_L C_e}{1+K_L C_e}\). | | Capacité d’adsorption \(q_{\max}\) | Quantité maximale de polluant pouvant être retenue par unité de masse d’adsorbant (mg g⁻¹). | | Charbon actif granulaire (CAG) | Matériau poreux dérivé de matières végétales, utilisé pour l’adsorption de composés organiques. | | Zéolithe naturelle | Alumino-silicate cristallin possédant des propriétés d’échange d’ions et d’adsorption. | | Point de percée | Moment où la concentration de l’effluent atteint un seuil prédéfini (souvent 5 % de \(C_0\)). | | Régénération | Procédé de restauration de la capacité d’adsorption d’un matériau saturé (lavage, chauffage). | | Boues de décantation | Résidus solides séparés lors de la sédimentation, contenant les flocs et les polluants adsorbés. | | Décharge limite | Valeur maximale autorisée pour un paramètre de qualité (ex. DCO ≤ 60 mg L⁻¹) selon l’arrêté MINEE 2022. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un bassin de décantation primaire **Données** - Débit d’entrée d’une unité de traitement d’une brasserie : \(Q = 15\) m³ h⁻¹. - Temps de résidence souhaité dans le bassin de décantation : \(t_r = 2\) h. - Profondeur du bassin prévue : \(H = 2,5\) m. **Questions** 1. Calculer le volume utile \(V\) du bassin. 2. Déterminer la surface horizontale \(A\) nécessaire. 3. Vérifier que la vitesse de montée \(V_h\) reste inférieure à la vitesse de sédimentation typique des boues (≈ 0,5 mm s⁻¹). **Corrigé** 1. Volume utile : \[ V = Q \times t_r = 15\ \text{m}^3\text{h}^{-1} \times 2\ \text{h} = 30\ \text{m}^3 \] 2. Surface horizontale : \[ A = \frac{V}{H} = \frac{30\ \text{m}^3}{2,5\ \text{m}} = 12\ \text{m}^2 \] 3. Vitesse de montée : \[ V_h = \frac{Q}{A} = \frac{15\ \text{m}^3\text{h}^{-1}}{12\ \text{m}^2}=1,25\ \text{m}\text{h}^{-1} \] Conversion en mm s⁻¹ : \[ 1,25\ \text{m}\text{h}^{-1}= \frac{1,25\times1000}{3600}\ \text{mm}\text{s}^{-1}=0,347\ \text{mm}\text{s}^{-1} \] Puisque \(0,347\ \text{mm}\text{s}^{-1} < 0,5\ \text{mm}\text{s}^{-1}\), la condition est respectée ; le bassin permettra une décantation efficace. --- ### Exercice 2 – Calcul de la dose de coagulant et de la masse nécessaire **Données** - Eau brute d’une unité de traitement de l’huile de palme : turbidité initiale \(TU_0 = 180\) NTU. - Objectif de turbidité après coagulation‑flocculation : \(TU_f \le 12\) NTU. - Essais de jar test montrent que la dose optimale de chlorure ferrique (FeCl₃·6H₂O) est de 22 mg L⁻¹ pour atteindre cet objectif. - Débit de l’installation : \(Q = 10\) m³ h⁻¹. - Fonctionnement prévu : 16 h par jour. **Questions** 1. Calculer la masse de chlorure ferrique nécessaire par jour (en kg). 2. Si le prix du chlorure ferrique est de 1,20 €/kg, déterminer le coût journalier du réactif. 3. Vérifier que la concentration résiduelle de fer ne dépasse pas la limite de 0,2 mg L⁻¹ (supposer que 30 % du fer ajouté reste sous forme dissoute). **Corrigé** 1. Masse journalière : \[ m_{\text{jour}} = C \times Q \times t \times 1000 = 22\ \frac{\text{mg}}{\text{L}} \times 10\ \frac{\text{m}^3}{\text{h}} \times 16\ \text{h} \times 1000\ \frac{\text{L}}{\text{m}^3} \] \[ m_{\text{jour}} = 22 \times 10 \times 16 \times 1000\ \text{mg}= 3\,520\,000\ \text{mg}=3,52\ \text{kg} \] 2. Coût journalier : \[ \text{Coût}= 3,52\ \text{kg} \times 1,20\ \text{€/kg}= 4,22\ \text{€/jour} \] 3. Fer total ajouté : le chlorure ferrique contient une masse de Fe égale à \(\frac{55,85}{162,2}\) (masse molaire Fe / FeCl₃·6H₂O) ≈ 0,344 g Fe g⁻¹ de produit. Masse de Fe ajoutée par jour : \[ m_{\text{Fe}} = 3,52\ \text{kg} \times 0,344 = 1,21\ \text{kg}=1\,210\ \text{g} \] Concentration moyenne de Fe dans l’eau traitée (en supposant une répartition uniforme dans le volume traité quotidien) : \[ V_{\text{jour}} = Q \times t = 10\ \text{m}^3\text{h}^{-1} \times 16\ \text{h}=160\ \text{m}^3=160\,000\ \text{L} \] \[ [\text{Fe}] = \frac{1\,210\ \text{g}}{160\,000\ \text{L}} = 0,00756\ \text{g L}^{-1}=7,56\ \text{mg L}^{-1} \] Seulement 30 % reste dissous : \[ [\text{Fe}]_{\text{diss}} = 0,30 \times 7,56 = 2,27\ \text{mg L}^{-1} \] Cette valeur dépasse la limite de 0,2 mg L⁻¹ ; il faudrait donc soit réduire la dose (optimiser davantage le jar test), soit prévoir une étape de précipitation ou de filtration supplémentaire pour éliminer le fer en excès. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Oublier d’ajuster le pH avant la coagulation** (pH trop élevé ou trop bas) | Réduction drastique de l’efficacité du coagulant, formation de flocs faibles, dépassement des limites de turbidité. | Mesurer le pH du brut, ajouter un acide (H₂SO₄) ou une base (NaOH) pour atteindre la fenêtre optimale (pH 5,5‑6,5 pour l’alun, pH 4,5‑5,5 pour le FeCl₃). Noter la valeur ajoutée dans le registre de procédé. | | 2 | **Surdoser le coagulant** (ex. > 50 mg L⁻¹ d’alun) | Excès d’aluminium résiduel, risque de toxicité, colmatage prématuré des filtres, augmentation des coûts. | Réaliser systématiquement un jar test pour chaque lot d’eau brute; appliquer la dose minimale qui atteint la turbidité cible; vérifier l’aluminium résiduel par spectrophotométrie. | | 3 | **Ne pas prévoir de trop-plein dans le décanteur** | Débordement lors de fortes pluies ou de variations de débit, perte de boues chargées en pathogènes, contamination du milieu récepteur. | Installer un trop-plein réglé à 90 % du volume utile; équiper le trop-plein d’un clapet anti‑retour et d’un dispositif de mesure de niveau. | | 4 | **Utiliser du charbon actif sans pré‑humidification** | Formation de canaux de préférence (channeling), réduction du temps de contact réel, percée prématurée. | Avant la mise en service, humidifier le lit avec de l’eau déminéralisée à raison de 10‑15 % du volume du lit; vérifier l’uniformité du débit à l’aide de traceurs (ex. colorant alimentaire). | | 5 | **Négliger le lavage à contre‑courant du filtre à sable** | Augmentation de la perte de charge, baisse du débit de filtration, risque de rupture du lit. | Planifier un lavage toutes les 4‑6 h ou lorsque la perte de charge dépasse 0,3 bar; utiliser de l’air comprimé à 0,2‑0,3 bar suivi d’un rinçage à l’eau claire pendant 5 min. | | 6 | **Manipuler les réactifs coagulants sans protection adéquate** | Brûlures cutanées, inhalation de vapeurs acides, contamination de l’environnement de travail. | Porter gants nitrile résistants aux acides, lunettes de protection à coque, tablier imperméable; travailler sous hotte ou dans un local avec ventilation mécanique (≥ 6 renouvellements d’air/h). | --- *Fin du cours.*