Page 12 : Recommandations canadiennes sur les eaux domestiques recyclées destinées à alimenter les chasses d'eau des toilettes et des urinoirs

Annexe D : Procédés de traitement

Le recyclage de l'eau fait en général appel à des technologies conventionnelles de traitement des eaux usées largement utilisées et facilement accessibles. Quand il est question du traitement des eaux recyclées, il s'agit essentiellement de déterminer si le système de traitement parvient à garantir systématiquement la qualité d'eau appropriée. La plupart des recommandations internationales concernant l'utilisation des eaux recyclées précisent à la fois les procédés généraux de traitement et les paramètres de qualité de l'eau liés à un ensemble d'applications (Bahri et Brissaud, 2003).

Aperçu du traitement des eaux usées destinées à être recyclées

Le traitement des eaux usées associe généralement plusieurs procédés biologiques, physiques et chimiques. Le traitement biologique fait appel à des microorganismes en suspension dans les eaux usées ou fixés sur un substrat pour faciliter le retrait de matières des eaux usées. Le traitement physique consiste à retirer les déchets par filtration à travers un milieu granulaire ou solide comme la filtration sur membrane. Le traitement chimique comporte l'ajout de certains produits chimiques pour précipiter les constituants ciblés ou les adsorber sur un milieu. Tous ces procédés permettent différents niveaux de traitement. Les termes largement employés pour décrire ces différents niveaux de traitement sont les suivants, énumérés par ordre croissant d'intensité : primaire, secondaire, secondaire avancé et tertiaire. Ces niveaux de traitement ne sont pas toujours définis de la même façon. Les définitions et les descriptions fournies dans cette annexe sont celles utilisées dans le cadre des présentes recommandations. Les niveaux de traitement des eaux usées considérés comme convenables pour la production d'eaux recyclées servant à alimenter les chasses d'eau de toilettes des immeubles résidentiels et commerciaux comprennent les systèmes de traitement secondaire, secondaire avancé et tertiaire. Ces systèmes sont en général caractérisés par la qualité de l'eau produite en fonction de la demande biochimique en oxygène (DBO), des concentrations du total des solides en suspension (TSS) et du degré de nitrification obtenu lors de la conversion de l'ammonium en nitrate. Le tableau D1 donne un aperçu de l'élimination des dangers microbiens pouvant être obtenue à l'aide des divers procédés de traitement et niveaux de traitement.

Tableau D1 : Éliminations log révélatrices des entéropathogènes et des organismes indicateurs Tableau D1 note de bas de page a
Traitement Réductions log révélatricesTableau D1 note de bas de page b
E. coli Bactéries
pathogènes
Virus Giardia Cryptosporidium

Notes de bas de page du Tableau D1

Tableau D1 note de bas de page a

Adaptation de NRMMC-EPHC (2006).

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Tableau D1 note de bas de page b

Réductions en fonction des caractéristiques particulières du procédé.

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Traitement primaire 0 - 0,5 0 - 0,5 0 - 0,1 0,5 - 1,0 0 - 0,5
Traitement secondaire 1,0 - 3,0 1,0 - 3,0 0,5 - 2,0 0,5 - 1,5 0,5 - 1,0
Filtration sur lit double 0 - 1,0 0 - 1,0 0,5 - 3,0 1,0 - 3,0 1,5 - 2,5
Filtration sur membrane 3,5 -> 6,0 3,5 -> 6,0 2,5 -> 6,0 > 6,0 > 6,0

Traitement primaire

Le traitement primaire débarrasse l'eau des gros solides organiques et inorganiques et des sables par sédimentation et/ou flottation. Les contaminants organiques éliminés peuvent représenter un pourcentage important de la DBO, des TSS, des matières grasses, des huiles et des graisses présentes dans les eaux usées brutes. Une partie de l'azote et du phosphore peut aussi être éliminée, bien qu'il ne s'agisse pas là en général d'un objectif du traitement primaire. Le traitement primaire seul ne suffit pas à produire des eaux recyclées d'une qualité acceptable. Il constitue toutefois une étape importante préalable à la plupart des procédés de traitement secondaire et secondaire avancé.

Traitement secondaire

Le traitement secondaire vise essentiellement à débarrasser les eaux usées des constituants organiques solubles et des matières colloïdales ou en suspension qui subsistent après le traitement primaire dans les fosses septiques des petits systèmes de traitement décentralisés ou décentralisés. Au nombre des avantages du traitement secondaire figure l'élimination des particules résiduelles, des contaminants inorganiques et des agents pathogènes qui sont adsorbés sur les biosolides du système.

Le traitement secondaire s'appuie sur une série de procédés biologiques et nécessite un milieu favorable à la croissance microbienne rapide à l'intérieur du système de traitement. Comme les bactéries aérobies (qui consomment de l'oxygène) traitent les eaux usées plus rapidement et plus efficacement que les bactéries anaérobies (sans oxygène), le traitement secondaire fait généralement appel aux bactéries aérobies. Cela signifie que le système doit être approvisionné en oxygène, soit de manière passive, par la diffusion d'air dans le système (comme dans le cas des filtres à sable), soit de manière mécanique, par l'action de ventilateurs.

Après le traitement secondaire, l'effluent affiche en général une DBO5 et des concentrations de TSS inférieures à 30 mg/L, ce qui permet une désinfection efficace. L'effluent des eaux usées peut encore contenir des contaminants organiques résistants à la dégradation microbienne, des éléments nutritifs et des matières résiduelles après le traitement secondaire.

Traitement secondaire avancé (solution de rechange au traitement secondaire)

Au cours du traitement secondaire avancé, les mêmes procédés et technologies de traitement employés pour le traitement secondaire sont suivis d'une filtration destinée à éliminer les solides résiduels et colloïdaux, et à réduire davantage la DBO.

Le traitement secondaire avancé fait référence aux systèmes qui peuvent produire de manière fiable une qualité d'effluent proche des limites de détection établies pour la DBO5, les TSS et (s'il y a désinfection) les coliformes thermotolérants. L'effluent d'un système de traitement secondaire avancé devrait présenter une DBO5 et des concentrations de MES inférieures à 10 mg/L. La filtration fait partie du procédé de traitement lorsqu'une désinfection efficace est nécessaire. Ce niveau de traitement est souvent exigé dans les normes ou les recommandations internationales visant un « accès public sans restriction » des eaux usées, notamment pour des utilisations récréatives, l'irrigation des terrains de jeux, les plans d'eau artificiels pour aménagements paysagers, le rejet direct dans les cours d'eau et le lavage des véhicules.

Traitement tertiaire

Le traitement tertiaire a recours à des moyens biologiques ou chimiques pour éliminer plus de solides colloïdaux et de matières en suspension ainsi que des éléments nutritifs (phosphore et azote) des eaux usées. L'azote libéré dans les eaux de surface peut contribuer à la prolifération d'algues nuisibles, et s'il est libéré sous forme ammoniacale, il peut être toxique pour les organismes aquatiques.

L'élimination des éléments nutritifs peut se faire de différentes façons, notamment par un traitement biologique et chimique. Le traitement biologique est généralement assuré par un procédé de traitement par les boues activées (biomasse en suspension), compartimenté en zones « environnementales », qui permet de conditionner les bactéries pour éliminer l'azote ou le phosphore. Les systèmes de traitement capables d'éliminer biologiquement les éléments nutritifs sont plus complexes et nécessitent des opérateurs plus compétents et davantage de surveillance et de données de conception technique.

Durant le traitement chimique, le phosphore peut être précipité par l'ajout de produits chimiques particuliers aux eaux usées ou par adsorption à l'aide d'un filtre spécial. L'ammoniac peut être éliminé au moyen de résines échangeuses d'ions ou de zéolites. Toutefois, l'ajout de produits chimiques n'est pas généralement considéré comme une solution pratique pour les petits systèmes de traitement des eaux usées. La simple conversion d'ammoniac en nitrate à l'aide d'oxygène dissous (c.-à-d. la conversion de l'azote et non son élimination) est parfois désignée comme étant un traitement tertiaire. Même si l'azote n'est pas éliminé de façon efficace, la concentration d'ammoniac dans l'effluent (et par conséquent la toxicité aquatique potentielle) est réduite.

Désinfection

La désinfection est une étape indispensable du traitement pour presque tous les usages des eaux usées recyclées. Elle détruit ou inactive la majorité des microorganismes présents dans l'effluent des eaux usées traitées, notamment les organismes pathogènes pour l'homme. Il existe trois méthodes courantes de désinfection : 1) la chloration et des solutions de rechange (le dioxyde de chlore et les chloramines); 2) l'ozonation; et 3) le rayonnement ultraviolet (UV). Il existe de nombreuses technologies de désinfection qui peuvent être appliquées aux systèmes de toute taille, allant des petits systèmes décentralisés de traitement des eaux usées aux systèmes de grande envergure. Même s'il y a des exceptions, il faut en général filtrer les effluents traités destinés à être réutilisés pour accroître l'efficacité des procédés de désinfection. Le tableau D2 présente les plages d'éliminations log révélatrices des entéropathogènes et des organismes indicateurs. Les tableaux D3 et D4 permettent de comparer les valeurs concentration-temps (CT) (exprimées en mg min/L) pour plusieurs degrés d'inactivation des virus et de Giardia dans l'eau, obtenues avec les méthodes de désinfection présentées dans cette section (chlore, dioxyde de chlore et ozone). Le tableau D5 fournit des renseignements sur les différentes doses de rayons UV pour ces mêmes organismes et Cryptosporidium. À noter que les valeurs CT et les doses UV ont été établies pour une eau présentant des caractéristiques particulières et non pour les eaux usées domestiques. En outre, les valeurs CT indiquées pour le chlore sont fonction de la présence dans l'effluent de chlore libre résiduel.

Tableau D2 : Éliminations log révélatrices des entéropathogènes et des organismes indicateurs Tableau D2 note de bas de page a
Traitement Réductions log révélatricesTableau D2 note de bas de page b
E. coli Bactéries pathogènes Virus Giardia Cryptosporidium

Notes de bas de page du Tableau D2

Tableau D2 note de bas de page a

Adaptation de NRMMC-EPHC (2006).

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Tableau D2 note de bas de page b

Réductions en fonction des caractéristiques particulières du procédé.

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Tableau D2 note de bas de page c

Plage de valeurs basée sur les tableaux des valeurs CT publiés par la U.S. EPA (1999).

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Tableau D2 note de bas de page d

Plage de valeurs basée sur les tableaux des valeurs CT publiés par la U.S. (2006a).

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Chloration 2,0 - 6,0 2,0 - 6,0 1,0 - 3,0 0,5 - 1,5 0 - 0,5
Ozonation 2,0 - 6,0 2,0 - 6,0 3,0 - 6,0 0,5 - 3,0Tableau D2 note de bas de page c 0,25 - 3,0Tableau D2 note de bas de page d
Rayons UV 2,0 -> 4,0 2,0 -> 4.0 > 1,0 adénovirus
> 3,0 entérovirus,
hépatite A
> 3,0 > 3,0

Tableau D3 : Valeurs CT pour l'inactivation des virus Tableau D3 note de bas de page a
Désinfectant Inactivation (mg·min/L)
2 log 3 log 4 log

Notes de bas de page du Tableau D3

Tableau D3 note de bas de page a

Source : U.S. EPA (1999). Valeurs CT obtenues de l'AWWA (1991).

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Tableau D3 note de bas de page b

Valeurs obtenues à une température de 10 °C, dans une plage de pH de 6 à 9 et des concentrations de chlore résiduel libre variant de 0,2 à 0,5 mg/L.

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Tableau D3 note de bas de page c

Valeurs obtenues à une température de 10 °C et dans une plage de pH de 6 à 9.

Retour à la référence c de la note de bas de page du tableau D3

ChloreTableau B3 note de bas de page b 3 4 6
Dioxyde de chloreTableau B3 note de bas de page c 4,2 12,8 25,1
Ozone 0,5 0,8 1,0

Tableau D4 : Valeurs CT pour l'inactivation des kystes de Giardia Tableau B4 note de bas de page a
Désinfectant Inactivation (mg·min/L)
0,5 log 1 log 1,5 log 2 log 2,5 log 3 log

Notes de bas de page du Tableau D4

Tableau D4 note de bas de page a

Source : U.S. EPA (1999). Valeurs CT obtenues de l'AWWA (1991).

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Tableau D4 note de bas de page b

Valeurs obtenues pour des concentrations de chlore résiduel libre inférieures ou égales à 0,4 mg/L, à une température de 10 °C et un pH de 7.

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Tableau D4 note de bas de page c

Valeurs obtenues à une température de 10 °C et dans une plage de pH de 6 à 9.

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ChloreTableau D4 note de bas de page b 17 35 52 69 87 104
Dioxyde de chloreTableau D4 note de bas de page c 4 7,7 12 15 19 23
OzoneTableau D4 note de bas de page c 0,23 0,48 0,72 0,95 1,2 1,43

Tableau D5 : Dose de rayons UV (mJ/cm2) nécessaire pour une inactivation de divers microorganismes allant jusqu'à 4 log (99,99 %) Tableau D5 note de bas de page a
Microorganisme Inactivation log
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Notes de bas de page du Tableau D5

Tableau D5 note de bas de page a

Source : U.S. EPA (2006b).

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Cryptosporidium 1,6 2,5 3,9 5,8 8,5 12 15 22
Giardia 1,5 2,1 3,0 5,2 7,7 11 15 22
Virus 39 58 79 100 121 143 163 186

Traitement des biosolides et des résidus

Le traitement des biosolides englobe le traitement des solides qui se déposent au cours des traitements primaire ou secondaire des eaux usées, ou des deux. Les exigences relatives au traitement ou à l'élimination des biosolides peuvent varier d'une province ou d'un territoire à l'autre. Selon la taille de la station de traitement, les résidus du traitement primaire peuvent être stockés et transportés (p. ex., une fosse septique) ou transférés à une installation de digestion afin d'être stabilisés avant leur élimination. La digestion peut être effectuée par des bactéries dans un milieu aérobie (en présence d'oxygène) ou anaérobie (en l'absence d'oxygène). Le milieu aérobie accélère le procédé de stabilisation, mais nécessite davantage d'énergie, tandis que le milieu anaérobie est un procédé plus lent pouvant produire du gaz méthane (un biogaz) qui, à grande échelle, peut servir à la production d'électricité. Le compostage et l'incinération sont d'autres moyens de stabilisation des solides organiques.

Sélection du niveau ou de l'échelle de traitement approprié

Les eaux usées peuvent être traitées sur place, à la maison ou dans l'immeuble où elles sont produites. Elles peuvent aussi être acheminées par un égout vers une station de traitement des eaux usées ou de recyclage de l'eau. Des études d'installations centralisées ont démontré que les procédés de traitement des eaux usées peuvent réduire considérablement le nombre d'agents pathogènes ou d'organismes indicateurs présents dans les eaux usées, mais que l'efficacité d'élimination varie selon le type de procédé de traitement, la durée de rétention, la concentration d'oxygène, la température et l'élimination des matières en suspension (Garcia et coll., 2002; Koivunen et coll., 2003; Scott et coll., 2003; Rose et coll., 2004). Selon une étude, une station de traitement municipale à grande échelle ayant eu recours au traitement biologique, à la filtration et à la chloration avait réduit de plus de 7 log les coliformes totaux et fécaux, et de plus de 5 log les coliphages et les virus entériques. Elle avait en outre réduit de plus de 3 log les protozoaires pathogènes (Giardia et Cryptosporidium) (Rose et coll., 1996). Même s'il ressort que la filtration est le procédé de traitement qui, dans une chaîne de traitement conventionnel, élimine le plus efficacement les kystes et les oocystes de protozoaires, il subsiste tout de même des oocystes infectieux de Cryptosporidium dans l'effluent final des installations qui y ont recours (Gennaccaro et coll., 2003; Scott et coll., 2003; Rose et coll., 2004). Des données de surveillance provenant d'installations de Floride indiquent qu'en général, les installations ayant transmis des données sur les agents pathogènes fonctionnaient bien (si l'on se fie aux mesures des MES, de la turbidité et du chlore résiduel total). Quelques installations de Floride affichant les concentrations d'agents pathogènes les plus élevées dans l'eau traitée effectueraient une filtration et une désinfection efficaces. La proportion de kystes de Giardia déclarés comme étant potentiellement viables variait de 10 à 90 % (moyenne de 61 %), tandis que la fraction viable de Cryptosporidium oscillait entre 70 et 90 % (moyenne de 77 %) (York et coll., 2003). Ces résultats semblent indiquer que même si le traitement efficace des eaux usées produit un effluent de grande qualité, il subsistera probablement des agents pathogènes viables.

Au cours des 20 dernières années, bon nombre de procédés utilisés dans les systèmes de traitement centralisés ont été intégrés aux systèmes de traitement décentralisés, rendant ces derniers plus efficaces et plus répandus. De nouvelles technologies assurant un traitement secondaire avancé sont maintenant disponibles pour des systèmes décentralisés de recyclage de l'eau (Chu et coll., 2003; Diaper, 2004). La performance des traitements est exprimée par une plage, du fait de sa variabilité même lorsqu'il s'agit de systèmes à rendement optimal. Les données des tableaux D1 et D2 peuvent servir à caractériser les risques d'un procédé simple et déterministe comme celui décrit à la section 4.5 et dans l'annexe B. Toutefois, pour caractériser les risques avec plus de précision, il est préférable d'utiliser les données propres à un système donné, conçu en fonction des conditions locales ou particulières d'installation. Par exemple, les membranes n'ont pas toutes la même efficacité, puisqu'elle dépend du diamètre des pores.

Chaque technologie de traitement comporte des avantages et des inconvénients, quelle que soit l'échelle d'application. Certains procédés conviennent davantage aux systèmes décentralisés, d'autres sont mieux adaptés à des applications plus centralisées. Les technologies mécaniquement complexes ou nécessitant un plus grand degré d'intervention de la part de l'opérateur conviennent davantage aux installations centralisées qui disposent d'un personnel qualifié. De tels procédés peuvent être qualifiés de systèmes intensifs très performants, mais exigeants sur le plan des intrants, notamment de l'énergie, et sur le plan du contrôle des procédés et du savoir-faire des opérateurs. Les procédés qui conviennent généralement le mieux aux systèmes décentralisés sont ceux qui nécessitent moins de commandes ou de variables de fonctionnement, ou requièrent peu de compétences pour leur fonctionnement et leur entretien.

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