Traitement tertiaire (facultatif)

 

Traitement tertiaire

 

Au vu des résultats théoriques obtenus à la sortie du bassin aérobie, il semblerait qu'il ne soit pas nécessaire d'envoyer les eaux usées dans des bassins de traitement tertaire (ozonation, charbon actif, oxydation chimique...). Néanmoins nous avions envisagé au départ un traitement tertiaire par lagunage comme solution supplémentaire et qui pourrait servir de sécurité si jamais les étapes précédentes n'ont pas permis d'atteindre les normes de rejets imposées en Argentine. 

De plus, notre station de traitement se trouve dans un pays en développement où habituellement, la maintenance des machines et des équipements est rare, ce qui entraîne des pannes fréquentes. Ainsi l'application de systèmes de traitement naturels spécifiques aux effluents de tanneries, notamment le lagunage grâce à des roselières,  semble être une solution particulièrement intéressante pour ces pays. Il a été également montré dans des études que ce traitement présenterait des rendements supérieurs aux techniques usuelles de traitement tertiaire (ozonation par exemple).

Remarque : Nous avons lu dans la littérature que le lagunage pourrait également remplacer le traitement secondaire. Dans ce cas là, il serait intéressant de dimensionner la superficie nécessaire pour cette technique et son intérêt évident par rapport à un traitement biologique usuel (coût, efficacité, possibilité d'élimination des sulfures et du chrome résiduels...).

 

 

I. Description du traitement par lagunage

 

Le traitement par lagunage est constitué d'une série de bassins artificiels, ou étangs, dans lesquels les eaux sont déversées, et passent successivement et naturellement d'un bassin à l'autre par gravitation, pendant un long temps de séjour. Différents assemblages de ces bassins sont possibles en fonction de divers paramètres, tels que les conditions locales, les exigences sur la qualité de l'effluent final et le débit à traiter. Ces bassins fonctionnent comme des écosystèmes avec des relations de symbiose entre les différentes populations composés de bactéries, de champignons, de protozoaires, de métazoaires, d'algues, de poissons, de plantes etc. Ces différents organismes interviennent pour éliminer la charge polluante contenue dans l'eau usée.

De façon générale, le mécanisme sur lequel repose le lagunage est la photosynthèse. La tranche d'eau supérieure des bassins est exposée à la lumière. Ceci permet l'existence d'algues qui produisent l'oxygène nécessaire au développement et au maintien des bactéries aérobies. Ces bactéries sont responsables de la dégradation de la matière organique. Le gaz carbonique formé par les bactéries, ainsi que les sels minéraux contenus dans les eaux usées, permettent aux algues de se multiplier. Il y a ainsi prolifération de deux populations interdépendantes : les bactéries et les algues planctoniques, également dénommées "plantes microphytes". Ce cycle s'auto-entretient tant que le système reçoit de l'énergie solaire et de la matière organique. Au fond du bassin, où la lumière ne pénètre pas,  ce sont des bactéries anaérobies qui dégradent les sédiments issus de la décantation de la matière organique. Un dégagement de gaz carbonique et de méthane se produit à ce niveau. L'épuration des eaux dans un système de lagunage résulte donc d'une combinaison complexe de processus physico-chimiques et biologiques, qui sont influencés par les conditions météorologiques, le type et la configuration des bassins, et la conception du système.

(Source : Fiche technique : Traitement des eaux usées par lagunage, Bureau de l'UNESCO à Rabat)

 

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Figure 22 : Schéma du système de lagunage par écoulement horizontal (section)

 

 II. Choix de la plante et dimensionnement des bassins de lagunage

 

D'après les études que l'O.N.U.DI a mené (Reed beds for the treatment of tannery effluent, 2001), après avoir testé différentes espèces de plantes et en observant divers paramètres tels que le taux de décès, leur croissance et leur propagation, ils ont pu sélectionner une espèce de plante résistante aux effluents de tanneries et qui permette d'éliminer les pollutions résiduelles comme la DCO et la DBO par exemple. Il s'agit de l'espèce Typha angustifolia.

 

Figure 23 : Typha Angustifolia

 

Les bassins de lagunage auront pour but de traiter en continu les effluents de tanneries avant leur rejet final dans la rivière Riachuelo. 

 

  • Dimensionnement des bassins

 

  • Calcul de la surface des lagunes :

Pour dimensionner les lagunes, nous utilisons la formule de Kickuth :

 

$$\color{red} {S_{\ Lagunes}=\frac {Q_E \times ({ln\ c_e\ -\ ln\ c_s})}{K_{BOD}}}$$

 

avec S : superficie du lit de lagunage (m2), Q : débit entrant (m3/j), ce : concentration en DBO à l'entrée, cs : concentration en DBO à la sortie, KBOD : constante de vitesse (m/j)

On connait la concentration en DBO à l'entrée : $c_e=98\ mg/L$, le débit qui entre dans les lagunes : $Q_e=5817\ m^3/j$.

D'après les travaux de l'O.N.U.D.I, nous avons une idée de l'efficacité du lagunage en termes de rendement d'élimination des pollutions pour un temps de séjour de 3 jours : ce traitement permettrait d'éliminer environ 50 % de la DBO et 40% de la DCO.

Pour des concentrations initiales en DBO et DCO de 98 et 585 mg/L respectivement, à la sortie le lagunage, ces concentrations seraient alors de 49 et 351 mg/L. Donc on connaît $c_s=49\ mg/L$.

La constante de vitesse KBOD (m/j) se calcule à partir de la relation : $K_{BOD}=K_T.d.n$ avec $K_T=K_{20}.(1,06)^{(T-20)}$ (K20 étant la constante de vitesse à 20 °C exprimée en j-1 et T la température du système (exprimée en °C), d est la hauteur d'eau dans les lagunes (exprimée en m) et n est la porosité du substrat (%). Dans l'ouvrage de l'U.N.I.D.O., nous avons accès à la valeur de K20 qui est de 1,35. Nous faisons l'hypothèse que la température moyenne à Buenos Aires est de 20°C, donc nous pouvons calculer KBOD directement à partir de K20. En ce qui concerne la porosité du substrat, celle-ci est estimée à 0,40. La hauteur d'eau dans les lagunes a été fixée au départ à 0,50 m (Source : United Nations Human Settlements Programme, Constructed Wetlands Manual, UN-HABITAT Water for Asian Cities Programme Nepal, Kathmandu, 2008.)

Donc $$K_{BOD}= 1,35 \times 0,5 \times 0,4= 0,27\ m/j$$

 

On peut à présent calculer la surface de lagunes nécessaire au traitement des effluents pour permettre une élimination supplémentaire de la DBO et DCO si elle est nécessaire :

 

$$S_{\ Lagunes}=\frac {Q_E \times ({ln\ c_e\ -\ ln\ c_s})}{K_{BOD}}= \frac {5854 \times ({ln\ 98\ -\ln\ 49})}{0,27} \approx \color{red} {15000\ m^2} $$

 

Or, le volume de la lagune est de : $V\ _{lagunes}=Q_E \times temps\ de\ séjour$ avec un temps de séjour fixé à 3 jours (toujours d'après les expériences menées par l'O.N.U.D.I.), soit $V\ _{lagunes}= 5854 \times 3 \approx \color{red} {17560\ m^3}$. Donc, si on fixe une surface de lagunes de 15 000 m2, cela entraînerait une hauteur d'eau dans les roselières de $h_{eau}=\frac {V\ _{lagunes}}{S_{\ Lagunes}}=\frac {17560}{15000} \approx 1,17\ m$, ce qui est trop élevé.

On décide donc de surestimer la surface de lagunage nécessaire à 30 000 m2. Cette superficie permettrait de conserver une hauteur d'eau de $h_{eau}=\frac {17560}{30000} \approx \color{red} {60\ cm}$.

 

Remarque : Cette surface est très importante, et étant donné que ce traitement n'est pas nécessaire en théorie (normes de rejet atteintes après le traitement secondaire), il conviendrait d'étudier en pratique son réel apport par rapport à son coût, c'est-à-dire l'efficacité et l'espace que les lagunes occupent. De plus, il serait intéressant d'étudier la combinaison du traitement aérobie par boues activées et d'un lagunage comme traitement secondaire ou même peut-être le remplacement total du traitement biologique par du lagunage. Cela permettrait de réduire les dimensions des installations destinées au traitement biologique ou bien les supprimer complètement si le lagunage est optimisé (du point de vue surface occupée, temps de séjour, élimination des pollutions etc...).

 

  • Localisation de la zone de lagunage

Etant donnée la surface de lagunes nécessaires, nous avons choisi de les implanter sur une zone différente de celle prévue pour la station commune de traitement des effluents. Après avoir observé les alentours de la station avec Google Earth, nous avons trouvé un espace sur la carte, qui semble être inutilisé ou en friche et qui est accolé à la rivière. Il s'agit donc à la fois d'un espace proche de la station (important pour le transfert des effluents de la station vers les lagunes) et proche du Riachuelo (nécessaire pour leur rejet dans la rivière). La figure ci-dessous permet de se rendre compte de la localisation de la zone de lagunage que l'on a imaginée. Bien entendu, il faudrait tout d'abord effectuer sur la zone des analyses afin de vérifier que la pollution de la zone n'empêche pas les mécanismes du lagunage.

 

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Figure 24 : Localisation de la zone de lagunage par rapport à la Station Commune de Traitement des Effluents de Tanneries

 

  • Rendement de ce traitement tertiaire

Comme expliqué précédemment, les études réalisées par l'ONUDI ont permis de calculer des rendements d'élimination des pollutions après traitement des effluents de tanneries par lagunage dans des bassins plantés avec les roseaux Typha Angustifolia. Ainsi ces massettes ont permis d'éliminer environ 50% de la DBO et environ 40% de la DCO pour un temps de séjour de 3 jours. Ce traitement tertiaire que l'on ajoute au traitement commun permet donc en cas de surcharge organique des eaux à la sortie du traitement biologique, d'apporter un traitement supplémentaire pour atteindre les normes de rejets et éviter une pollution du Riachuelo.

 

  • Bilan des caractéristiques des eaux lors de leur rejet dans la rivière

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Tableau 15 : Bilan des caractéristiques des eaux à la sortie des lagunes avant leur rejet dans le Riachuelo