Purificarea apei este un set de tehnologii care sunt pentru a purifica apa , fie pentru reutilizare sau ape uzate cu recirculare în mediul natural , sau pentru a transforma apele naturale in apa de baut .
Sfârșitul XIX - lea semne ale secolului creșterea rețelelor de drenaj și canalizare în Franța ( igienist curent , renovarea Paris a baronului Haussmann . Este departe de canalizare din case și spații de locuit. Foarte repede problema viitorului acestei ape uzate apare . „ Cantitățile în creștere (deja 2.000 m 3 pe zi în 1875) de golire pentru a fi depozitate sau pentru a fi răspândite se întâlnesc în suburbii cu refuzul locuitorilor . ” Cu lucrarea lui Pasteur., Cunoștințele în microbiologie se dezvoltă și rolul a microorganismelor în degradarea materiei organice este evidențiată.
„ În 1914, doi englezi, Edward Ardern și William Lockett, au dezvoltat primul proces de purificare intensivă, un sistem de bazin în care se aerează nămolul rezultat din biodegradarea efluenților ”. Oxigenul face posibilă atât activarea activității bacteriilor, cât și promovarea multiplicării acestora. S-a născut principiul nămolului activat. Brevetele sunt depuse și implementate în Statele Unite și Marea Britanie. În Franța, creșterea stațiilor de tratare a nămolului activ în zonele urbane a început în jurul anului 1960 în orașe, apoi în zonele rurale. În ceea ce privește procesele fizico-chimice, utilizarea lor în Franța coincide cu dezvoltarea stațiunilor pentru sporturi de iarnă la începutul anilor 1960 . „ Procesele de coagulare prin tratament chimic au fost folosite și în unele stațiuni de pe litoral francez și în Norvegia pentru a proteja fiordurile de eutrofizare, în special datorită deversărilor de fosfor ” .
Tratarea apelor uzate duce astăzi la produse finale ( nămol de canalizare ) care nu pot fi reduse sau eliminate prin schimbări de proces la sursă. Evacuarea nămolului în sol poate permite , eventual , pentru a profita de conținutul fertilizării problemele de eliminare matériau.Les de canalizare și nămol au fost amplificate de la XIX - lea secol dirijând deșeuri industriale apoase la stații de epurare utilizate pentru apele uzate menajere , care, în timp ce permite tratarea eficientă a componentelor sale degradabile, crește contaminarea apelor uzate cu materiale persistente și / sau toxice.
Există trei tehnici principale pentru purificarea apei, care se aplică atât la tratarea apelor uzate, cât și la producția de apă potabilă :
Între 1997 și 2016, au fost necesare multe progrese în cercetare și dezvoltare pentru a face față complexității crescânde a poluării, indiferent de sursa acesteia. Noile îngrășăminte introduse pe piață, precum și conștientizarea și identificarea noilor surse de poluare industrială sau farmaceutică, cum ar fi reziduurile active de medicamente respinse de indivizi, reprezintă noi provocări tehnologice pentru purificare.
Procesele biologice sunt utilizate pentru tratarea secundară a apelor uzate urbane și industriale. În configurația lor de bază, acestea sunt utilizate în principal pentru eliminarea compușilor carbonici prezenți sub formă solubilă, cum ar fi zaharurile , grăsimile , proteinele , pentru care soluțiile fizico-chimice sunt adesea ineficiente, costisitoare sau dificil de implementat. Acestea sunt dăunătoare mediului, deoarece degradarea lor implică consumul de oxigen dizolvat în apa necesar pentru supraviețuirea animalelor acvatice. Scopul tratamentelor biologice este de a elimina poluarea organică solubilă prin intermediul microorganismelor, în special a bacteriilor . Microorganismele heterotrofe , care utilizează materia organică ca sursă de carbon și energie, au o acțiune duală:
Dacă este necesar, transformarea ionilor de amoniu ( NH 4+ ) la nitrat ( NO 3- ) sau nitrificarea poate fi efectuată simultan.
Aceste metode pot permite, de asemenea, eliminarea azotului și a fosforului prin mijloace biologice prin implementarea unor etape suplimentare în procesul de tratament: introducerea unui rezervor anoxic , a unui bazin anaerob .
Diferitele procese utilizate pot fi clasificate în funcție de condițiile de aerare și utilizare a microorganismelor. Astfel, există diferite procese:
Sarcina de poluanți organici este în mod obișnuit măsurată de necesarul de oxigen biochimic de cinci zile (BOD5) sau de cererea chimică de oxigen (COD).
Tratament aerobSectoarele biologice aerobe utilizează microorganismele prezente în mediul natural pentru degradarea poluării . Acestea sunt inspirate de proprietățile de purificare a solurilor (filtre plantate cu stuf - fito - purificare , filtre de nisip) sau râuri ( lagune , nămol activat). Alimentarea cu oxigen poate fi naturală (sistem de vânt sau cascadă) în instalații mici de lagună , sau artificială (turbină sau difuzie de microbule) în stații de tratare de tip „nămol activat”.
De Bacteriile pot fi liber ( nămol activat , lagooning ) sau fixe ( pat bacteriene , filtre plantate, filtre de nisip, biofiltru ) sau chiar biodiscs.
Tratamentul anaerobAceastă zonă permite auto-oxidarea. Aceasta forțează microorganismele să extragă energie din rezervele lor pentru activitate și reproducere: aceasta se numește „respirație endogenă”. Se obține astfel transformarea produselor azotate (în azot amoniacal) și a produselor din carbon.
Eliminarea azotuluiDacă reactoarele biologice permit un timp de contact suficient între efluenți și bacterii, este posibil să se obțină un al doilea grad de tratament: nitrificarea . Aceasta este oxidarea azotului amoniacal în nitriți, apoi în nitrați de către bacterii nitrificante. Amoniacul este toxic pentru fauna piscicolă și generează un consum ridicat de oxigen în mediul receptor. Bacteriile nitrificante sunt autotrofe (ele însele fixează carbonul necesar creșterii lor în CO 2dizolvat în apă). Prin urmare, cresc mult mai încet decât heterotrofii . O stație de epurare a apelor uzate municipale trebuie mai întâi să îndepărteze compușii organici înainte de a se putea nitrifica.
Un al treilea pas constă în denitrifierea nitraților rezultați în urma nitrificării. Pentru aceasta, există mai multe tehnici: fie denitrificarea se efectuează în bazinul de aerare în timpul fazei de oprire a turbinelor, fie o parte din apa încărcată cu nitrați la sfârșitul tratamentului biologic este pompată și amestecată cu apa. apă, în fruntea tratamentului. Denitrificarea are loc apoi într-un reactor anoxic, în prezența compușilor organici și a nitraților. Nitrați este redus la azot molecular (N 2) care scapă în aer sub formă de bule, care sunt eliminate în degazator în cazul denitrificării în bazinul de aerare. Excesul de nitrați sunt poluanți care sunt la originea invaziei algelor în anumite mări, în special în Marea Nordului .
Sectoarele fizico-chimice utilizează mijloace fizice ( decantare , flotație , filtre și membrane ) și / sau substanțe chimice, în special coagulanți ( clorură ferică , sulfat de aluminiu etc.) și floculanți . Acestea sunt utilizate pentru anumiți efluenți industriali (toxici) sau atunci când trebuie să gestionăm variații rapide ale debitelor care urmează a fi tratate (cazul stațiilor de epurare a apelor uzate din orașele turistice sau când, cu o rețea unitară, dorim să ne ocupăm de sosirea apei de ploaie ).
În starea actuală a tehnologiei , Membranele de microfiltrare , ultrafiltrare și nanofiltrare sunt utilizate în principal pentru purificarea apei.
În instalațiile complexe care trebuie să proceseze mai mulți parametri, cele două canale pot fi întâlnite simultan.
În mod convențional, o stație de tratare a nămolului activat urban cuprinde următoarele etape:
Tratamentul secundar poate include faze de anoxie (sau o parte separată în anoxie) care permite degradarea nitraților .
Acești pași sunt împărțiți în trei meniuri care sunt:
Canalele de tratare a apei pot include un ultim pas, numit „tratament terțiar”, incluzând unul sau mai multe dintre următoarele procese:
Dar fiecare pas generează produse secundare care trebuie eliminate și: deșeuri grosiere, nisip și mai ales nămol constând, printre altele, din bacterii moarte.
În paralel cu circuitul de tratare a apei, instalațiile de control al poluării includ și o linie de tratare a nămolului.
Scopul tratamentului nămolului este de a stabiliza acest nămol (să-l facă inert) printr-un mijloc care poate fi fizico-chimic cu, de exemplu , var , sau biologic, lăsând nămolul să rămână în digestoare (reactor încălzit și agitat pentru a permite o digestie anaerobă ).
Tratamentul include apoi lucrări de decantare (aceasta se numește îngroșare), depozitare și deshidratare (presă, presă cu filtru , centrifugă ) sau chiar uscare, trecerea la biogaz sau chiar incinerare . Metalele în soluție în apă pot fi neutralizate: prin variația pH-ului apei în anumite intervale, acești poluanți sunt decantați.
Digestia nămolului produce metan (CH 4), care, atunci când este produsă în cantități suficient de mari, este utilizată ca energie: producția de energie electrică, cazan sau injecție în rețeaua de gaze naturale și hidrogen sulfurat (H 2 S), care poate provoca sufocare într-un mediu restrâns.
Atunci când nămolul de epurare este liber de orice produs toxic, acesta poate fi reciclat ca îngrășământ în agricultură, cu condiționare adecvată pentru a facilita manipularea și depozitarea la fața locului (tratarea cu var ). Atunci când acestea sunt poluate, este necesar să le depozitați . O soluție elegantă pentru comunitățile locale este să le compostăm cu reziduuri verzi sau să efectuăm digestie anaerobă pentru a produce biogaz . În funcție de țară, rutele de eliminare pot varia. În Elveția, de exemplu, depozitul de deșeuri de nămol este interzis și recuperarea agricolă s-a încheiat1 st octombrie 2008(cu o prelungire de doi ani în unele cazuri) din cauza riscurilor pentru sănătate și sol și în conformitate cu principiul precauției. Singurul canal autorizat este eliminarea termică (instalații de incinerare a deșeurilor menajere, fabrici de ciment).
În cele din urmă, un al treilea circuit (opțional) se ocupă de tratarea aerului poluat. Poate fi, de asemenea, biologic sau chimic.
Distincție stabilită prin articolul L.2224-8 din codul general al autorităților locale, privind purificarea apelor uzate menajere.
Salubritate colectivă Acela care este pe deplin susținut de comunitate (municipalitatea sau instituția publică de cooperare inter-municipală - EPCI - căreia i-a delegat această competență): colectarea, transportul, tratarea, deversarea în mediul natural a apei tratate și eliminarea subproduse. Salubritate necolectivă Oricine nu beneficiază de acest sprijin. Cu toate acestea, municipalitatea are obligația de a exercita controlul (controlul proiectării, executării, funcționării corecte, întreținere bună) și poate, dacă dorește, să se ocupe de întreținere.Tehnicile de salubrizare colectivă sunt descrise mai sus.
Strict vorbind, nu există o tehnică de salubrizare necolectivă, deoarece este un concept de reglementare și nu unul tehnic .
Cu toate acestea, pentru purificarea apelor uzate dintr-o locuință individuală (câțiva locuitori), există tehnici specifice, care vor fi calificate ca salubrizare individuală sau autonomă. Aceste tehnici utilizează exclusiv canale organice.
Sunt necesare patru elemente pentru o instalație de salubrizare la fața locului:
Multe stații de tratare au făcut progrese reale în ceea ce privește calitatea apei, dar în general nu pot trata în mod corespunzător nitrații și fosfații sau anumite tipuri de viruși sau bacterii și niciuna dintre plantele convenționale nu este capabilă să degradeze numeroșii micro-poluanți (medicamente, produse cosmetice, detergenți) etc.) prezente în apele uzate. Astfel, potrivit lui Roberto Andreozzi, de la Universitatea „ Napoli Federico II”, „atenția acordată până acum de guverne și oameni de știință asupra impactului produselor farmaceutice asupra mediului poate fi calificată ca fiind redusă sau neglijabilă” și „în efluenții analizați, am remarcat prezența a 26 de agenți farmaceutici aparținând a șase clase terapeutice: antibiotice , beta-blocante , antiseptice, antiepileptice , antiinflamatoare și regulatoare ale lipidelor " . Lagunele terțiare sau tratamentul terțiar printr-un boschet de salcie cu rotație scurtă au fost testate eficient, dar se dezvoltă doar foarte lent (mai puțin de 1% din stațiile de epurare a apelor uzate din Franța). Pot fi utilizate alte sisteme de tratament terțiar, cum ar fi dezinfectarea UV sau ozonarea. Unele stații de epurare sunt învechite sau depășite în anumite momente sau de fluxurile de apă de ploaie în caz de inundații. În cele din urmă, după tratarea apei, apare problema a ceea ce se întâmplă cu nămolul de canalizare (uneori semnificativ contaminat de poluanți nedegradabili, care, dacă acest nămol este slab gestionat, poate ajunge ulterior la apele de suprafață sau subterane.). Cu cât apa este mai purificată, cu atât nămolul conține mai toxic dacă, în amonte, produsele non-biodegradabile nu au fost eliminate din canalele care riscă să polueze apa. Stațiile de epurare a apelor uzate din municipalitățile care trăiesc din sporturile de iarnă sau stațiunile de pe litoral trebuie să facă față vârfurilor bruște de frecventare.
Paradoxal, unele stații poluează. Astfel, la mai bine de un an după ce Thames Water (compania britanică de apă) a intratseptembrie 2007a poluat grav râul Wandle cu clor în timpul curățării uneia dintre stațiile sale de epurare, fără a avertiza imediat autoritățile, Agenția Britanică de Mediu a anunțat că „În 2007, companiile„ apei erau responsabile (în Regatul Unit) cincea din poluarea gravă cauzată de întreținerea deficitară, utilizarea excesivă sau perimarea stațiilor de epurare a apelor uzate ” . În aval de Paris , în Yvelines , stația de tratare a apelor uzate Seine-Aval d' Achères tratează apele uzate a șase milioane de rezidenți din Ile -de-France . În 2007, această stație nu a respectat o directivă adoptată în 1991 privind tratarea apelor uzate urbane. În urma lucrării „DERU”, stația Achères - numită acum Seine-aval - respectă prevederile directivei europene din 1991.
Deși interzisă de lege (în special legea de coastă din 1986), există în mod excepțional câteva stații de epurare a apelor uzate în situri sensibile (sit clasificat, sit Natura 2000 , zonă de coastă etc. ), cum ar fi Amphitria situată în Cap Sicié sau stațiunea Saint-Jean-de-Luz , Ciboure și Urrugne . Amphitria este totuși una dintre fabricile din bazinul mediteranean care respectă reglementările europene, la fel ca stațiile din Nisa (Haliotis), Montpellier, La Ciotat etc.
În 2013, la șase ani după o 1 st avertisment ( iulie 2004 , la 140 de centre în neconformitate), al Curții de Justiție a Uniunii Europene (CJUE) a confirmat nerealizarea obiectivelor, nerespectarea de către Franța a acesteia obligații privind directiva 91/271 / CEE de tratare a apelor reziduale urbane cunoscute sub numele de "Deru" pentru aglomerarea Basse-Terre și pentru aglomerările Ajaccio-Sanguinaires, Bastia-Nord, Cayenne-Leblond și St Denis.
Este necesară o cunoaștere mai bună și mai rapidă a fizico-chimiei nămolului, a BmP-ului său și a variațiilor sale sezoniere sau accidentale de calitate pentru o recuperare sigură a nămolului (metanizare, răspândirea digestatelor).
În 2014 , a fost lansat așa-numitul program de cercetare Mocopée ( „Modelarea, controlul și optimizarea proceselor de purificare a apei” ) împreună cu SIAAP (producător de 230.000 de tone de nămol DM pe an ), IRSTEA și Universitatea de Tehnologie din Compiègne , reunind aproape 15 echipe științifice și industriale pentru a caracteriza mai bine nămolul urban. Sperăm, de exemplu, să putem evalua activitatea biologică a nămolului prin măsurarea directă a fluorescenței (colaborare ENVOLURE-Siaap)
Tratamentul convențional în stațiile de epurare nu distruge majoritatea micro-poluanților (reziduuri de pesticide, detergenți, medicamente, hormoni etc.) prezenți în apele uzate. Cu toate acestea, aceste molecule, chiar și la doze foarte mici, sunt toxice pentru viața acvatică. Sunt necesare tratamente suplimentare pentru a le elimina și pentru a îndeplini cerințele din ce în ce mai stricte din Directiva-cadru europeană privind apa . Ca parte a proiectului Micropolis-Processes, o evaluare inițială a tratamentului micro-poluanților prin ozonare în condiții reale de funcționare a unei stații de epurare a apelor uzate a fost realizată în perioada 2014-2016. Studiul realizat în uzina Sophia -Antipolis a confirmat degradarea tuturor moleculelor (76 micro-poluanți organici și metalici) prin aplicarea unor doze variabile de ozon în funcție de clasele de micro-poluanți. Potrivit oamenilor de știință de la Irstea, pilot al proiectului, „ consumul electric al tratamentului de ozonare a reprezentat până la 25% din consumul total electric al stației. Se datorează în principal funcționării sistemului de producere a aerului, a generatorului de ozon și a distrugătorului termic, al cărui consum ar putea fi redus ”. Scurgerea apei de poluanții finali duce la o cheltuială suplimentară de 10-18 cenți de euro (fără taxe) pe m 3 de apă tratată, adică în jur de zece euro, inclusiv impozitul pe an (estimare pentru consumul anual de „aproximativ 50 m 3 pe locuitor ) .
Un studiu a modelat consumul de energie din cele 5 sectoare majore de tratare a apei cele mai utilizate în Franța, pe baza criteriilor de referință privind consumul de energie stabilite pe sectoare și pentru fiecare etapă de tratare: pe stație (tratarea apei, nămol de tratare etc.) și prin sub-stație (aerarea bazinelor, digestia nămolului etc.). Observație: se consumă astfel mai multă energie în Franța decât în alte țări comparabile; acest lucru s-ar datora unui efort ulterior de economisire a energiei în Franța în acest domeniu și unei dimensionări a stațiilor bazate pe săptămâna care aduce cele mai multe ape uzate din an (fără un bazin tampon), ceea ce face cheltuielile energetice suboptimale în restul timp. Procesul „ nămol activat ” (preferat în Franța; 80% din stațiile de tratare a apelor uzate cu peste 2.000 Habt echiv.) Este cel mai puțin consumator de energie, dar nu purifică complet apa. Bioreactoarele cu membrană (în dezvoltare puternică) produc apă mai curată, dar consumă foarte multă energie (și ar putea fi optimizate).
Irstea a dezvoltat un software premiat (cunoscut sub numele de ACV4E ) care este utilizat pentru a evalua impactul asupra mediului al rețelelor de salubrizare și / sau al stațiilor de epurare a apelor uzate municipale. De asemenea, oferă informații despre domeniile de îmbunătățit, în special în ceea ce privește utilizarea instrumentelor de monitorizare și alertă, reglarea ventilației și sistemele de optimizare (sursa principală de consum de energie). Irstea a publicat recomandări pentru constructori, comunități și operatori, care pot permite economii de energie de la 5 la 20% în funcție de stații.
Tranziția energetică ar tinde să facă stațiile de epurare a apelor uzate mai autonome în energie, chiar pozitive în energie și, de asemenea, mai puțin emisive în gazele cu efect de seră (cf. N2O și CH4 ) prin recuperarea mai bună a deșeurilor din stații (nămolurile de epurare în special, cu producția de biogaz care poate alimenta stația în sine). Dar, în ciuda îmbunătățirilor, suntem departe de aceasta: epurarea apelor uzate consumă încă energie și contribuie la efectul de seră.
Protoxidului de azot (sau N 2 O) este un efect de seră gaz impact de 300 de ori mai mare ca CO 2 ; emisiile sale din sistemele de purificare sunt mult subestimate. O evaluare IPCC a dat 3,5% din emisiile antropogene de N 2 O în jurul anului 2010, dar puternic părtinitoare, deoarece se bazează pe un factor de emisie calculat pe o stație de tratare a apelor uzate americane, destinată în principal tratării carbonului și nu a azotului. Cu toate acestea, în Franța, „stațiile de epurare a apelor uzate tratează atât carbonul, cât și azotul”, „În plus, chiar și emisiile scăzute de N 2 O pot avea un impact considerabil asupra impactului climatic și a amprentei de carbon ale instalațiilor., Până la 80%, conform rezultatele noastre ”.
O modelare în funcție de factorul de emisie IPCC dă 0,035% N pentru o stație de tratare a apelor uzate pariziene, în timp ce cifra reală este de 2,5-5% N, adică echivalentul emisiilor de GES cu 5% din emisiile de CO 2.de transport, 4 miliarde de km parcurși cu mașina / an, călătorii anuale de 400.000 de locuitori sau 1,5 milioane de avion / locuitor AR Toulouse-Paris.
Din 2012, Irstea și ONEMA (acum AFB ), în special prin intermediul proiectelor Mocopee și N2O TRACK (2015-2018), au încercat să cuantifice mai bine N 2 Oemise respectiv de nămolul activat, filtre reed plantate, biofiltre, care arată că anumiți parametri de gestionare și funcționare ai stațiilor favorizează aceste emisii, care variază, de asemenea, foarte mult în funcție de procesul utilizat (de la 0 la 5% din sarcina de intrare de azot) și - pentru același proces - în funcție de perioada anului. Acest lucru arată că abordările și modelele bazate pe factori de emisie fixați de N 2 O sunt irelevante.
Conform principiului „poluatorul plătește”, stațiile de tratare a apelor uzate sunt adesea finanțate prin impozite, prin intermediul agențiilor de apă din țările în care există. În țările în curs de dezvoltare, au existat uneori programe speciale de stimulare, cum ar fi PRODES în Brazilia, din 2001.
În ceea ce privește previziunea și într-o dinamică rifkiniană și în cadrul „orașului durabil și inteligent” (inclusiv automatizarea casei ), apare o tendință care, la fel ca rețeaua inteligentă care face rețelele energetice „inteligente”, oferă soluții tehnice pentru face rețelele de distribuție a apei mai „inteligente” și mai eficiente (vorbim de Smart Water). O zonă comună între aceste două abordări ar putea fi recuperarea caloriilor din apele uzate în canalizare sau în amonte sau utilizarea rețelei de apă pentru transportul de refrigerare. Proiectul European Powerstep, lansat în iulie 2015 sub auspiciile europene, coordonează studii care vizează producerea de energie electrică a stațiilor de epurare a apelor uzate .
Un alt punct important care condiționează viitorul stațiilor de epurare a apelor uzate se referă la reutilizarea apelor uzate tratate (REUT) pentru irigații agricole, ceea ce face posibilă furnizarea atât a apei, cât și a nutrienților culturilor. La nivel mondial, reutilizarea controlată a apelor uzate se referă la aproximativ 5% din apele uzate tratate (Israel, Statele Unite, Australia, Spania, Tunisia, țările din Golf etc.). În Franța, REUT este foarte constrâns de legislația care, ținând seama de riscurile de dispersie sau depunere a germenilor patogeni pe culturi, aplică principiul precauției. Prin urmare, cazurile de aplicare sunt limitate la câteva proiecte (Clermont-Ferrand, Île de Noirmoutier, Golf de Royan etc.). Din 2017, guvernul francez a avut o ambiție puternică pentru REUT, în special în regiunile cu deficit de apă recurent. În acest context, au fost lansate cereri de proiecte de către agenția de apă Rhône Méditerranée Corse. Proiectele în curs de desfășurare în 2018 își propun să dezvolte cunoștințe care să permită cele mai bune practici de reutilizare și să propună recomandări pentru modificarea reglementărilor.