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2. TECHNIQUES DE TRAITEMENT L'eau, en tant que matière indispensable à la vie, est précieuse entre toutes. C'est la raison pour laquelle Hoechst, depuis de nombreuses années, met dans le domaine de la régénération des eaux usées toute sa volonté et toute sa compétence. L'épuration peut se faire par traitement thermique (incinération) ou encore par traitement physico-chimique, pouvant être complété par une dégradation biologique. Le principe de l'épuration biologique s'inspire de la nature et a pour rôle d'éliminer les impuretés organiques en solution ou en suspension. Au cours de la dégradation, les bactéries assimilent une partie des matières polluantes dans leurs propres substances, mais en oxydent la majorité pour couvrir leurs besoins en énergie. a) Épuration thermique Incinération Pour les eaux usées particulièrement chargées, on fait appel aux procédés d'épuration par voie thermique. Hoechst AG a mis au point un procédé d'incinération des eaux usées provenant des ateliers de fabrication de la matière première utilisée pour la production de fibres polyester Trevira. Après évaporation de l'eau, les impuretés organiques sont incinérées à une température voisine de 900 °C dans une chambre de combustion en mélange avec les gaz chauds d'un brûleur à fuel. La chaleur résiduelle est utilisée dans une chaudière pour la production de vapeur. Les difficultés techniques du procédé résidaient dans la nécessité d'assurer une exploitation optimale de la chaleur et de résoudre les problèmes de corrosion posés par la présence d'acide formique dans les eaux traitées. À Kelkheim, les eaux résiduaires fortement chargées, provenant de la production de fibres, sont évaporées et incinérées en utilisant du fuel. À Münchemünster, nous disposons d'un four d'incinération permettant d'éliminer les effluents de la production d'acrylonitrile, fortement chargés en matières organiques, avec d'autres résidus liquides ou gazeux. b) Épuration physico-chimique et biologique — Traitements locaux Afin de faciliter le fonctionnement de la station centrale d'épuration, il est souvent souhaitable d'effectuer directement dans les ateliers certains traitements primaires qui faciliteront la dégradation bactériologique. A cet effet, de nombreuses installations de pré-traitement sont nécessaires en fonction de la nature des rejets. En font partie : les bassins de décantation où l'on sépare les
chaudière pour la production de vapeur. Les difficultés techniques du procédé résidaient dans la nécessité d'assurer une exploitation optimale de la chaleur et de résoudre les problèmes de corrosion posés par la présence d'acide formique dans les eaux traitées. À Kelkheim, les eaux résiduaires fortement chargées, provenant de la production de fibres, sont évaporées et incinérées en utilisant du fuel. À Münchemünster, nous disposons d'un four d'incinération permettant d'éliminer les effluents de la production d'acrylonitrile, fortement chargés en matières organiques, avec d'autres résidus liquides ou gazeux. b) Épuration physico-chimique et biologique — Traitements locaux Afin de faciliter le fonctionnement de la station centrale d'épuration, il est souvent souhaitable d'effectuer directement dans les ateliers certains traitements primaires qui faciliteront la dégradation bactériologique. A cet effet, de nombreuses installations de pré-traitement sont nécessaires en fonction de la nature des rejets. En font partie : les bassins de décantation où l'on sépare les solvants et les boues, les installations d'oxydation destinées avant tout à la destruction de matières colorantes dont les molécules sont d'une telle taille qu'elles ne sauraient être digérées par les bactéries. Dans les installations de neutralisation, les acides sont transformés en sels inoffensifs pour les bactéries. Le stripping permet d'éliminer les substances volatiles par entraînement à l'azote, ou à l'air comprimé. Les colonnes de distillation exploitent les différents points d'ébullition de l'eau et des impuretés. Les eaux usées contenant des germes pathogènes doivent être stérilisées avant leur arrivée à la station centrale. Dans d'autres installations enfin, les impuretés sont absorbées sur du charbon actif et extraites à l'aide de liquides insolubles dans l'eau ou encore par filtration. Sont également considérés comme traitements primaires les décantations mécaniques, les floculations effectuées à l'aide de sels de fer, de sels d'aluminium, de chaux ou de polyélectrolytes et les blanchiments à l'aide de chlore. — Stations centrales Les eaux ainsi prétraitées sont ensuite réunies sous une forme aussi concentrée que possible, afin d'obtenir un effet de dégradation élevé dans les bassins d'épuration biologique. En général, le procédé est le suivant : Après neutralisation par traitement chimique, l'eau usée brute est additionnée d'agents de floculation.
les substances volatiles par entraînement à l'azote, ou à l'air comprimé. Les colonnes de distillation exploitent les différents points d'ébullition de l'eau et des impuretés. Les eaux usées contenant des germes pathogènes doivent être stérilisées avant leur arrivée à la station centrale. Dans d'autres installations enfin, les impuretés sont absorbées sur du charbon actif et extraites à l'aide de liquides insolubles dans l'eau ou encore par filtration. Sont également considérés comme traitements primaires les décantations mécaniques, les floculations effectuées à l'aide de sels de fer, de sels d'aluminium, de chaux ou de polyélectrolytes et les blanchiments à l'aide de chlore. — Stations centrales Les eaux ainsi prétraitées sont ensuite réunies sous une forme aussi concentrée que possible, afin d'obtenir un effet de dégradation élevé dans les bassins d'épuration biologique. En général, le procédé est le suivant : Après neutralisation par traitement chimique, l'eau usée brute est additionnée d'agents de floculation. Les solides ainsi formés, existant auparavant dans l'eau usée, sont ensuite éliminés par traitement mécanique. La dégradation biologique proprement dite intervient ensuite dans les bassins d'activation de la station. Sous introduction simultanée d'oxygène (air), les eaux sont mélangées à des boues de bactéries appelées « boues activées ». Il y a un brassage très important par agitation et recyclage. Contrairement aux eaux urbaines, les eaux usées des usines chimiques présentent un déficit en phosphates. D'où la nécessité d'une addition de sels nutritifs contenant des phosphates, afin de permettre aux bactéries de synthétiser leurs propres protéines, dont le phosphore est un des éléments constitutifs. L'exutoire se fait par extraction des bassins d'une certaine quantité de ces boues activées. Elles sont envoyées dans des installations où, par différents traitements physiques, se fait la séparation des eaux épurées et des boues plus concentrées. Il faut ensuite épaisser ces boues et les déshydrater. Elles retrouvent généralement à ce stade les boues provenant des stades antérieurs. Les boues sont ensuite déshydratées par centrifugeage ou passage sur filtres-presses. La boue déshydratée peut être mise en décharge contrôlée. — Améliorations techniques Dans ce domaine, les principales améliorations apportées par Hoechst ont principalement porté sur les équipements mécaniques,
a un brassage très important par agitation et recyclage. Contrairement aux eaux urbaines, les eaux usées des usines chimiques présentent un déficit en phosphates. D'où la nécessité d'une addition de sels nutritifs contenant des phosphates, afin de permettre aux bactéries de synthétiser leurs propres protéines, dont le phosphore est un des éléments constitutifs. L'exutoire se fait par extraction des bassins d'une certaine quantité de ces boues activées. Elles sont envoyées dans des installations où, par différents traitements physiques, se fait la séparation des eaux épurées et des boues plus concentrées. Il faut ensuite épaisser ces boues et les déshydrater. Elles retrouvent généralement à ce stade les boues provenant des stades antérieurs. Les boues sont ensuite déshydratées par centrifugeage ou passage sur filtres-presses. La boue déshydratée peut être mise en décharge contrôlée. — Améliorations techniques Dans ce domaine, les principales améliorations apportées par Hoechst ont principalement porté sur les équipements mécaniques, mais aussi et surtout sur la conception de l'étape biologique : lors de l'extension des installations d'épuration à l'usine mère, Hoechst a renoncé pour la première fois aux bassins classiques peu profonds, équipés d'aérateurs insufflant l'air par le haut. Le manque de place et le souci d'éviter toute pollution par l'odeur ou par le bruit sont les principales raisons de ce changement. Nos chercheurs améliorent actuellement les rendements des bioreacteurs à encombrement encore plus réduit, en mettant à profit l'expérience que nous avons acquise dans le domaine de la fermentation. Nous recherchons aussi les économies d'énergie. Les installations d'épuration par voie biologique exigent une consommation relativement importante d'énergie électrique. A notre maison mère, la puissance de la station est de 9,3 MW (éclairage déduit). Les possibilités d'utilisation des boues biologiques excédentaires sont à l'étude. En principe, ces boues conviennent à l'amélioration des sols. Cependant, les importantes quantités d'énergie que réclame leur séchage rendent difficile une telle utilisation. Leur teneur en protéines de haute qualité suggère leur emploi comme adjuvant dans les aliments pour le bétail, mais les sévères exigences en matière de pureté constituent, jusqu'à présent, un obstacle insurmontable. 3. DEUX EXEMPLES DE RÉALISATION D'ÉPURATION PAR BOUES ACTIVEES À HOECHST
l'odeur ou par le bruit sont les principales raisons de ce changement. Nos chercheurs améliorent actuellement les rendements des bioreacteurs à encombrement encore plus réduit, en mettant à profit l'expérience que nous avons acquise dans le domaine de la fermentation. Nous recherchons aussi les économies d'énergie. Les installations d'épuration par voie biologique exigent une consommation relativement importante d'énergie électrique. A notre maison mère, la puissance de la station est de 9,3 MW (éclairage déduit). Les possibilités d'utilisation des boues biologiques excédentaires sont à l'étude. En principe, ces boues conviennent à l'amélioration des sols. Cependant, les importantes quantités d'énergie que réclame leur séchage rendent difficile une telle utilisation. Leur teneur en protéines de haute qualité suggère leur emploi comme adjuvant dans les aliments pour le bétail, mais les sévères exigences en matière de pureté constituent, jusqu'à présent, un obstacle insurmontable. 3. DEUX EXEMPLES DE RÉALISATION D'ÉPURATION PAR BOUES ACTIVEES À HOECHST ET À LAMOTTE Nous avons déjà situé les importances respectives des usines à propos des consommations d'eau. Nous indiquerons dans le tableau I les chiffres concernant les stations d'épuration, débits et charges polluantes. L'efficacité des stations est sensiblement la même dans les deux cas. Nous avons à la sortie des stations (tableau II). On voit que les matières en suspension sont éliminées à 95 %, les matières oxydables totales à 90 %. Nous allons examiner plus en détail les réalisations, mais en ne parlant que des stations proprement dites, même si bien d'autres choses ont été faites en amont : réseaux séparatifs des différents types d'eaux résiduaires, prétraitement, etc. Stations d'épuration par boues activées TABLEAU I Hoechst Lamotte Entrée — — — — — — — Réel Nominal Réel Nominal Débit à traiter 47 000 m3/j 52 000 m3/j 5 500 m3/j 9 600 m3/j Matières en suspension MES 50 t/j 100 t/j 13 t/j 18 t/j Demande chimique en oxygène DCO 140 t/j 160 t/j 30 t/j 35 t/j Demande biologique en oxygène DB05 70 t/j 80 t/j 15 t/j 18 t/j * À noter que la station de Lamotte traite aussi les effluents de l'usine d'Attichy de la
stations (tableau II). On voit que les matières en suspension sont éliminées à 95 %, les matières oxydables totales à 90 %. Nous allons examiner plus en détail les réalisations, mais en ne parlant que des stations proprement dites, même si bien d'autres choses ont été faites en amont : réseaux séparatifs des différents types d'eaux résiduaires, prétraitement, etc. Stations d'épuration par boues activées TABLEAU I Hoechst Lamotte Entrée — — — — — — — Réel Nominal Réel Nominal Débit à traiter 47 000 m3/j 52 000 m3/j 5 500 m3/j 9 600 m3/j Matières en suspension MES 50 t/j 100 t/j 13 t/j 18 t/j Demande chimique en oxygène DCO 140 t/j 160 t/j 30 t/j 35 t/j Demande biologique en oxygène DB05 70 t/j 80 t/j 15 t/j 18 t/j * À noter que la station de Lamotte traite aussi les effluents de l'usine d'Attichy de la société Rousselot. TABLEAU II Sortie Hoechst Lamotte Matières en suspension 30 à 80 mg/l ou 30 à 80 mg/l ou 1,4 à 3,8 t/j 0,16 à 0,44 t/j Demande chimique en oxygène 300 à 400 mg/l ou 300 à 500 mg/l ou 14,1 à 18,8 t/j 1,65 à 2,75 t/j Demande biologique en oxygène DB05 20 à 30 mg/l ou 20 à 30 mg/l ou 0,9 à 1,4 t/j 0,11 à 0,16 t/j a) Usine de Hoechst L'emplacement réservé à la station centrale d'épuration représente une surface de 6 hectares. Les paramètres de calcul et les principes de construction relatifs à la première tranche ont été déterminés à partir de nombreux essais, au niveau du laboratoire et de l'unité pilote, construits spécialement à cet effet. Première étape (fig. 3) C'est au printemps 1967 que la première tranche de l'installation d'épuration biologique a été mise en service. Sa capacité est de 24 000 m3/j et 30 t/j de DB05. La technique utilisée a été celle des bassins à faible profondeur (3,5 m environ). Le brassage et l'oxygénation sont réalisés par deux rangées de huit aérateurs de surface, d'une puissance individuelle de 75 kW. Fig. 3. — Hoechst AG — Usine de
Demande biologique en oxygène DB05 20 à 30 mg/l ou 20 à 30 mg/l ou 0,9 à 1,4 t/j 0,11 à 0,16 t/j a) Usine de Hoechst L'emplacement réservé à la station centrale d'épuration représente une surface de 6 hectares. Les paramètres de calcul et les principes de construction relatifs à la première tranche ont été déterminés à partir de nombreux essais, au niveau du laboratoire et de l'unité pilote, construits spécialement à cet effet. Première étape (fig. 3) C'est au printemps 1967 que la première tranche de l'installation d'épuration biologique a été mise en service. Sa capacité est de 24 000 m3/j et 30 t/j de DB05. La technique utilisée a été celle des bassins à faible profondeur (3,5 m environ). Le brassage et l'oxygénation sont réalisés par deux rangées de huit aérateurs de surface, d'une puissance individuelle de 75 kW. Fig. 3. — Hoechst AG — Usine de Hoechst. Station de traitement biologique des eaux résiduaires. Vue générale de la première étape. (Doc. Hoechst AG) Les boues primaires et les boues en excès sont déshydratées sur quatre filtres rotatifs à vide, ayant chacun une surface filtrante de 33 m2. Par la suite, le procédé a été complété par une pré-floculation au sulfate de fer pour la déstabilisation des dispersions colloïdales, par un deuxième épaississeur et enfin par une dernière déshydratation sur des filtres presses à chambres. Le gâteau de filtration à 40 % environ de matière sèche est déposé sur des lits de séchage. Ce système de bassins peu profonds n'est pas en tout point une solution idéale. Cette technique entraîne la formation de mousses ; de plus, elle est bruyante et génératrice de mauvaises odeurs. Enfin, le rendement de l'oxygène mis en œuvre n'est pas optimal. Ces constatations nous ont amenés à modifier l'installation en couvrant les bassins d'activation avec des panneaux de bois recouverts de Trevira enduit PVC pour éviter le dégagement de composés malodorants et à installer au fond des bassins des diffuseurs immergés qui insufflent de l'air et évitent ainsi les dépôts de boues. Deuxième étape (fig. 4) Cette deuxième tranche a été mise
une pré-floculation au sulfate de fer pour la déstabilisation des dispersions colloïdales, par un deuxième épaississeur et enfin par une dernière déshydratation sur des filtres presses à chambres. Le gâteau de filtration à 40 % environ de matière sèche est déposé sur des lits de séchage. Ce système de bassins peu profonds n'est pas en tout point une solution idéale. Cette technique entraîne la formation de mousses ; de plus, elle est bruyante et génératrice de mauvaises odeurs. Enfin, le rendement de l'oxygène mis en œuvre n'est pas optimal. Ces constatations nous ont amenés à modifier l'installation en couvrant les bassins d'activation avec des panneaux de bois recouverts de Trevira enduit PVC pour éviter le dégagement de composés malodorants et à installer au fond des bassins des diffuseurs immergés qui insufflent de l'air et évitent ainsi les dépôts de boues. Deuxième étape (fig. 4) Cette deuxième tranche a été mise en service en 1977. Les objectifs visés étaient : — économiser la surface au sol ; — éliminer les nuisances causées par le bruit et les odeurs. La technique utilisée a été celle des bioréacteurs verticaux. L'ensemble des bassins d'activation est simplement divisé en cinq compartiments et présente les caractéristiques suivantes : — Dimensions : longueur : 75 m largeur : 52 m profondeur : 10 m — Capacité : 6 000 m3 — Charge volumique : 1,7 kg DB05/m3/j — Charge massique : 0,4 kg DB05/kg de matière sèche de boue activée/jour — Temps de séjour : 21 h. Cet ensemble a une capacité de traitement de 30 000 m3/j et dispose de 2 400 aérateurs statiques de 1,5 m de haut, d'un diamètre de 0,30 m et sont disposés dans le fond des bassins tous les 1,22 m. Dans le cas du bioréacteur vertical, l'aérateur de surface ne convient plus. L'air doit être introduit sous pression et réparti par les aérateurs statiques qui augmentent et renouvellent rapidement les surfaces de contact air/liquide et créent une turbulence accroissant les contacts de l'oxygène avec les substrats et les bactéries. La teneur résiduelle en oxygène de l'air usé des installations d'activation
suivantes : — Dimensions : longueur : 75 m largeur : 52 m profondeur : 10 m — Capacité : 6 000 m3 — Charge volumique : 1,7 kg DB05/m3/j — Charge massique : 0,4 kg DB05/kg de matière sèche de boue activée/jour — Temps de séjour : 21 h. Cet ensemble a une capacité de traitement de 30 000 m3/j et dispose de 2 400 aérateurs statiques de 1,5 m de haut, d'un diamètre de 0,30 m et sont disposés dans le fond des bassins tous les 1,22 m. Dans le cas du bioréacteur vertical, l'aérateur de surface ne convient plus. L'air doit être introduit sous pression et réparti par les aérateurs statiques qui augmentent et renouvellent rapidement les surfaces de contact air/liquide et créent une turbulence accroissant les contacts de l'oxygène avec les substrats et les bactéries. La teneur résiduelle en oxygène de l'air usé des installations d'activation est suffisante pour brûler cet air dans des incinérateurs de déchets ou dans des chaudières pour la production de vapeur. Cette façon de procéder élimine toute nuisance par les odeurs. Cette deuxième étape d'extension de l'installation centrale d'épuration permet de décharger la première tranche par rapport à sa valeur initiale de façon à recevoir au plus 20 t DB05/j pour une charge hydraulique de 13 000 m3/j, le solde des effluents étant alors traité dans la deuxième tranche. Les stations de dosage, les postes de contrôle et l'alimentation en électricité sont communs à la première et à la deuxième tranche. L'ensemble des investissements pour la première et la deuxième tranches s'est élevé à 152 millions de DM. Le coût d'exploitation 1978 de la station, non compris la mise à la décharge, a été de 27 millions de DM. b) Usine de Lamotte de la société française Hoechst (fig. 5) Il y a séparation des réseaux d'eaux pluviales, eaux de réfrigération, eaux résiduaires de fabrication. Celles-ci sont collectées dans sept bassins correspondant aux différents secteurs de l'usine où elles subiront un prétraitement approprié. Elles sont envoyées dans la station centrale où est d'abord réalisé un traitement physico-chimique (neutralisation, décantation) démarré en
de façon à recevoir au plus 20 t DB05/j pour une charge hydraulique de 13 000 m3/j, le solde des effluents étant alors traité dans la deuxième tranche. Les stations de dosage, les postes de contrôle et l'alimentation en électricité sont communs à la première et à la deuxième tranche. L'ensemble des investissements pour la première et la deuxième tranches s'est élevé à 152 millions de DM. Le coût d'exploitation 1978 de la station, non compris la mise à la décharge, a été de 27 millions de DM. b) Usine de Lamotte de la société française Hoechst (fig. 5) Il y a séparation des réseaux d'eaux pluviales, eaux de réfrigération, eaux résiduaires de fabrication. Celles-ci sont collectées dans sept bassins correspondant aux différents secteurs de l'usine où elles subiront un prétraitement approprié. Elles sont envoyées dans la station centrale où est d'abord réalisé un traitement physico-chimique (neutralisation, décantation) démarré en 1976. A ce stade, elle reçoit les effluents de l'usine d'Attichy de la société Rousselot située à 7 km ; ces effluents sont complémentaires du point de vue de l'alcalinité. L'ensemble des effluents est traité dans la station à boues activées, mise en service début 1978. Cette dernière a comme particularité de permettre, au-delà de la dégradation biologique classique, la destruction des matières azotées. Pour cela, a été mise en place une « cascade » de deux traitements biologiques : — un traitement par aération, générateur de nitrates par oxydation de l'ensemble des matières azotées (fig. 6) ; — un traitement en anoxie (absence d'oxygène) permettant la destruction de ces nitrates ; Par cette technique, outre les matières oxydantes, habituellement traitées, se trouvent détruites les matières azotées. Contrôle : sont tout particulièrement contrôlés en permanence les débits, les pH et les teneurs en oxygène. Les effluents font l'objet d'analyses, régulières avant, pendant et après le traitement. La qualité de l'eau à la sortie de la station d'épuration favorisera la vie piscicole en rivière. Les boues partiellement déshydratées (fig. 7) sont évacuées en décharge contrôlée. Leur utilisation à des fins agricoles est à l'étude. A noter que cette station a coûté