La filière de potabilisation n’est pas le seul domaine où des suspensions contenant des bactéries sont amenées à être filtrées à travers des milieux poreux. La filière de traitement des eaux usées souvent basée sur des procédés biologiques met également en œuvre des procédés de filtration.
I.1.2.1. Provenance de l’eau
L’origine des eaux usées arrivant en station d’épuration est multiple. Trois catégories sont généralement distinguées (Martin-Lagardette, 2004) :
• Les eaux usées domestiques : Elles sont porteuses de pollutions organiques. Elles se repartissent en eaux ménagères provenant des salles de bain ou des cuisines, chargées en détergents, graisses, solvants ou débris organiques. On retrouve également les eaux usées dites de « vanne ». Elles proviennent des rejets de toilettes, elles sont chargées de germes fécaux et également de diverses matières organiques azotées.
25 • Les eaux industrielles : De manière générale, ces eaux contiennent des métaux lourds, des micropolluants organiques, des hydrocarbures en plus des matières organiques azotées ou phosphorées. Les caractéristiques de ces eaux peuvent changer d’une industrie à l’autre. Dans certains cas, elles doivent subir un prétraitement avant d’être rejetées dans les eaux de collecte afin qu’elles ne présentent plus de danger et qu’elles ne perturbent plus le fonctionnement des stations d’épuration. Avant tout rejet dans le réseau public, une autorisation de raccordement est nécessaire.
• Les eaux pluviales : Ces eaux peuvent constituer une source de pollutions importantes notamment en période de fortes pluies où elles pourront être chargées d’impuretés. Les eaux pluviales sont soit mêlées aux eaux usées domestiques, dans ce cas le système d’assainissement est dit unitaire, soit elles sont récupérées dans un réseau différent et ce système est dit séparatif. Il prévient ainsi le débordement des eaux usées dans le milieu naturel.
I.1.2.2. But des différents procédés de traitement des eaux usées
Le traitement des eaux citées précédemment a pour première finalité la protection de la santé publique notamment en préservant les ressources naturelles en eau. Pour atteindre ce but, il est nécessaire d’avoir des solutions techniques viables d’un point de vue économique et ayant peu d’impact sur l’environnement afin de :
• Convertir les déchets en composés oxydés stables pouvant être stockés près des eaux propres sans effet néfaste pour l’environnement.
• S’assurer que les eaux usées sont éliminées de manière fiable sans effet nuisible.
• Récupérer et recycler les composants utiles des eaux usées et notamment trouver des solutions de réutilisation de l’eau.
26 Afin d’atteindre ces objectifs les stations d’épuration sont composées de plusieurs unités. Une unité classique de traitement est composée de procédés physiques, de procédés chimiques et de procédés biologiques (Gray, 2005) dont les détails sont donnés dans le Tableau I-3.
Type de procédé Etapes Description Physique Chimique Biologique Equilibre Criblage Sédimentation Flottation Hydrocyclone Filtration Centrifugation Osmose inverse Ultrafiltration Microfiltration Adsorption Neutralisation Précipitation Echange d’ions Oxydoréduction Boue activée Filtration biologique Bioréacteur à membranes Lagunage
Obtention d’une qualité d’eaux usées constante. Sépare les grosses particules.
Séparation des solides organiques et inorganiques du liquide.
Petites bulles d’air qui entrainent à la surface les particules en suspension.
Sépare les particules denses.
Réduit la concentration de particules à 20mg/L. Sépare les solides du liquide.
Concentre les ions et autres particules en solution et purifie l’eau.
Sépare les particules de 0,005-0,1µm ainsi que les micro-organismes.
Sépare les particules de 0,1-5µm et peut être utilisé pour la désinfection.
Enlève les contaminants par adsorption sur charbon actif ou résines synthétiques.
Ajustement du pH vers 7.
Précipitation des composés inorganiques. Echange d’ions inorganiques (ions Ca ou Mg) par
des ions (Na) attachés à des colonnes en résines. Soustraction ou addition d’électrons pour rendre les matériaux organiques ou inorganiques moins
toxiques et moins volatils.
Aération des eaux usées pour permettre aux microorganismes de consommer la matière
organique.
Les eaux usées passent à travers un filtre recouvert d’une couche de microorganismes qui
consomment la matière organique présente. Assure la fiabilité dans la qualité des eaux traitées,
en associant une séparation membranaire à un système biologique classique.
Décomposion de la matière organique par un large éventail de microorganismes dans des étangs
27 Digestion
anaérobie
pendant de longues périodes.
Utilisée pour des composés organiques très résistants. Les eaux usées sont stockées dans des
grands réservoirs privés d’oxygène, où les microorganismes les transforment en méthane,
dioxyde de carbone ou en acides organiques. Tableau I-3 : Catégories et étapes dans le traitement des eaux usées.
Suivant la qualité et les spécificités des eaux usées arrivant dans la station d’épuration, l’enchaînement des différentes étapes peut varier. Dans le paragraphe suivant, les procédés membranaires sont décrits plus en détails, en particulier les bioréacteurs à membranes.
I.1.2.3. Procédés membranaires dans le traitement des eaux usées Dans la filière des eaux usées, les procédés membranaires tels que la microfiltration ou l’ultrafiltration se retrouvent dans la partie physique du traitement, avec l’élimination des particules en suspensions alors que la nanofiltration ou l’osmose inverse, utilisés comme procédés d’affinage, sont dédiés à l’élimination de micropolluants.
Egalement très présents dans les filières de traitement des eaux usées, les bioréacteurs à membranes sont l’association d’un réacteur biologique et d’une séparation physique par membranes poreuses. Ce type de procédé a pour avantage de coupler la fonction épurative du bioréacteur, qui va éliminer les matières organiques, à la fonction séparative de la filtration. Il permet d’obtenir une eau de grande qualité en termes de concentration en particules et de matières organiques mais aussi une désinfection poussée (Li, 2003).
Ce procédé comporte cependant une limitation qui est le colmatage des membranes par la formation de biofilms sur celles-ci. De nombreux auteurs se sont penchés sur la compréhension de ce phénomène afin d’optimiser le procédé.
28 Différentes voies ont été envisagées pour réduire le biocolmatage, Chu et Li (2005) proposent des solutions hydrodynamiques en favorisant l’augmentation du cisaillement apporté par l’aération lors du nettoyage. D’autres auteurs préfèrent agir directement sur la formation du biofilm, en contrôlant le quorum sensing (Yeon, 2008) ou en ajoutant du calcium dans les eaux usées qui a pour effet de stabiliser le colmatage à long terme en formant des bioflocs qui empêchent le blocage de pores (Kim, 2006).
I.2. Comportement des bactéries à une interface poreuse ou non poreuse