Traitement des eaux usées industrielles : Guide pratique des principales technologies de traitement

Cet article est destiné à fournir des informations générales et ne constitue pas un avis professionnel en matière d’ingénierie, d’environnement ou de réglementation. Reportez-vous toujours aux documents officiels et aux orientations émises par les autorités de réglementation de votre juridiction et consultez des spécialistes qualifiés avant de prendre des décisions en matière de conception, de conformité ou d’investissement.

Les eaux usées industrielles sont rarement résolues par un seul procédé. Les eaux usées d’une usine de viande, d’une teinturerie textile, d’une batterie de cokéfaction et d’une installation pharmaceutique n’ont pratiquement rien en commun au niveau des polluants, et une technologie qui fonctionne parfaitement pour l’une d’entre elles échouera complètement pour une autre. La base de données de l’EPA sur les technologies de traitement des eaux usées industrielles (IWTT) montre clairement que le traitement des eaux usées à usage industriel n’est pas un menu d’options concurrentes. Il s’agit d’une boîte à outils, et le travail de l’opérateur consiste à adapter chaque outil au polluant pour lequel il a été conçu.

Ce guide couvre les technologies de traitement conventionnelles qui apparaissent le plus souvent dans les systèmes de traitement des eaux usées industrielles dans les secteurs de la fabrication, de l’agroalimentaire, de la chimie, de la métallurgie, de la pâte à papier et des produits pharmaceutiques. Pour chacune d’entre elles, l’objectif est de donner aux ingénieurs des installations, aux gestionnaires de l’environnement et aux exploitants d’usines une compréhension pratique de ce que la technologie fait de bien, de ce qu’elle ne fait pas et de la place qu’elle occupe dans une chaîne de traitement. Il ne s’agit pas de couvrir chacune des 58 technologies répertoriées par l’EPA : plusieurs domaines spécialisés, notamment l’élimination des PFAS (généralement les CAG, les résines échangeuses d’ions et les membranes à haute pression), l’élimination biologique des nutriments (nitrification/dénitrification, élimination biologique améliorée du phosphore et ANAMMOX) et la chaîne de traitement des solides (boues) (épaississement, déshydratation, digestion et élimination), sont des sujets importants en soi et sont abordés séparément.

Comment le traitement des eaux usées industrielles est-il structuré ?

Avant d’énumérer les technologies elles-mêmes, il convient de comprendre l’architecture en quatre étapes que suivent la plupart des stations d’épuration des eaux usées industrielles. La liste ci-dessous correspond directement à ces étapes, et la plupart des défauts de conformité peuvent être attribués à une étape manquante ou sous-dimensionnée de cette séquence.

L’épuration des eaux usées industrielles diffère de l’épuration municipale sur un point essentiel : l’influent est imprévisible. Les flux industriels varient considérablement en termes de type et de concentration de polluants, souvent au sein d’une même installation au cours d’une journée. Une chaîne de traitement qui fonctionne sur le papier peut s’avérer moins performante dans la pratique parce qu’elle a été dimensionnée pour des moyennes plutôt que pour des pics, ou parce qu’un polluant imprévu encrasse une unité en aval. C’est pourquoi il est plus important de comprendre le rôle de chaque technologie et les conditions dans lesquelles elle réussit ou échoue que d’en connaître les noms.

Au sein de l’Union européenne, le cadre des meilleures techniques disponibles (MTD) formalise cette logique étape par étape. La référence centrale pour les techniques de traitement dans le secteur chimique est le Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems BREF (CWW BREF), dont les conclusions sur les MTD ont été adoptées dans la décision d’exécution (UE) 2016/902 de la Commission. Les BREF sectoriels s’appuient sur ce document : le BREF sur les produits chimiques inorganiques en grandes quantités (ammoniac, acides et engrais) identifie le recyclage de l’eau de traitement sur site et le traitement biologique comme MTD, et le BREF sur la production de polymères recommande un réservoir tampon en amont pour égaliser la qualité des eaux usées avant qu’elles n’atteignent la station d’épuration. Les deux documents sectoriels renvoient au BREF du CWW pour les techniques de traitement détaillées elles-mêmes, ce qui renforce le fait que le traitement des eaux usées industrielles est un sujet de conformité à plusieurs niveaux, qui fait l’objet de plusieurs documents. (Notez que les anciens BREF sectoriels datent de 2007 et sont en cours de révision ; le BREF du CWW reste la référence actuelle pour les techniques de traitement).

Technologies de traitement préliminaire

Le traitement préliminaire est la première ligne de défense. Son seul rôle est d’éliminer les matières susceptibles d’endommager les pompes, d’obstruer les canalisations ou d’entraver les processus en aval. Ces technologies ne produisent pas à elles seules des effluents conformes et ne sont presque jamais optionnelles.

• Tamis grossiers et tamis fins. Les dégrilleurs avec des ouvertures de 6 mm ou plus éliminent les gros débris près de l’entrée. Les dégrilleurs fins (1,5 à 6 mm) capturent les particules plus petites et les dégrilleurs microscopiques (0,001 à 0,3 mm) peuvent polir les effluents secondaires. Largement utilisés dans les usines textiles pour éliminer les fils, les peluches et les chiffons, et dans le traitement de la viande pour les os et les débris de tissus.
• Comminuteurs. Les broyeurs qui déchiquettent les solides sur place au lieu de les enlever. Le matériau broyé doit encore être capturé en aval dans un dessableur ou un bassin de décantation, et comme cela crée un risque pour l’équipement en aval, les usines les plus récentes préfèrent généralement le criblage.
• Les dessableurs. Les configurations comprennent des chambres aérées, à vortex et à flux horizontal, ainsi que des hydrocyclones. Ils éliminent le sable, le gravier et d’autres particules inorganiques lourdes qui, autrement, useraient les pompes et s’accumuleraient dans les réservoirs. Le choix dépend de la vitesse de sédimentation des particules, de l’espace disponible et de l’accès pour l’entretien.
• Réservoirs d’égalisation. Souvent inclus dans le traitement préliminaire pour atténuer la variabilité du débit et de la charge. Pour les eaux usées industrielles, où les rejets par lots et les changements d’équipe peuvent faire varier les concentrations de polluants de manière spectaculaire, l’égalisation est ce qui protège les systèmes biologiques en aval des charges de choc.

Technologies de traitement primaire (séparation physique)

Le traitement primaire utilise des procédés physiques pour éliminer les solides en suspension, les huiles et les graisses. Pour certaines eaux usées industrielles, en particulier celles qui ont un taux élevé de MES mais une faible charge dissoute, un traitement primaire bien conçu peut éliminer une fraction importante de la charge polluante avant qu’un traitement secondaire ne soit nécessaire.

• Sédimentation (décanteurs primaires). Décantation par gravité dans des réservoirs rectangulaires ou circulaires. Dans les eaux usées municipales typiques, la sédimentation élimine environ 50 à 70 % des MES et 25 à 40 % de la DBO5 (Metcalf & Eddy, 2014) ; pour les flux industriels, dont les caractéristiques varient considérablement, les éliminations réelles peuvent s’écarter sensiblement de ces chiffres et il est préférable de les confirmer par des essais en bocal ou des données pilotes. Simple et peu coûteux, mais inefficace pour les particules fines ou les contaminants dissous. La géométrie du réservoir, le temps de rétention et la conception de l’entrée sont autant d’éléments qui influent sur les performances.
• Flottation à l’air dissous (DAF). De l’air sous pression est dissous dans l’eau et libéré dans un réservoir de flottation, créant de fines bulles qui soulèvent les solides en suspension, les huiles et les graisses à la surface pour l’écrémage. La FAD est un processus de séparation physique : elle élimine les solides en suspension, les graisses et les huiles, et donc la fraction particulaire (non soluble) de la DBO, mais pas la DBO soluble. Il est particulièrement efficace pour les eaux usées huileuses (pétrochimie), les effluents des usines de pâte à papier et les eaux usées des abattoirs, avec des taux d’élimination des MES généralement compris entre 80 et 98 % et des taux d’élimination de la DBO particulaire de l’ordre de 70 à 80 % dans les installations à grande échelle. Plus rapide que la sédimentation et moins encombrant, mais coût d’exploitation plus élevé.
• Coagulation et floculation. Des produits chimiques tels que le sulfate d’aluminium, le chlorure ferrique ou le chlorure de polyaluminium sont ajoutés pour déstabiliser les particules colloïdales, qui s’agrègent ensuite en flocs qui se déposent ou flottent. Presque toujours associé à la sédimentation ou à la FAD. Largement utilisé comme étape primaire dans le traitement des eaux usées des secteurs de l’alimentation, de la pâte à papier, du textile et du ciment.
• Séparateurs huile/eau (API, CPI). Séparateurs à base de gravité conçus spécifiquement pour les huiles libres et dispersées. Ils sont couramment utilisés pour le prétraitement des eaux usées de la pétrochimie, des raffineries et de la métallurgie.

Technologies de traitement secondaire (biologique)

Le traitement secondaire est l’étape où la charge organique dissoute, exprimée en DBO et en DCO, est réellement décomposée. Les processus biologiques font appel à des micro-organismes pour convertir les polluants en biomasse et en gaz. Ils constituent de loin le moyen le plus rentable de traiter les charges organiques industrielles à forte concentration, à condition que les eaux usées soient biodégradables et ne présentent pas de risque de choc toxique.

Processus biologiques aérobies

• Boues activées (BA). Le cheval de bataille du traitement biologique industriel. Une culture bactérienne en suspension dans un réservoir aéré consomme la matière organique ; le mélange est ensuite décanté dans un clarificateur secondaire et les boues sont recyclées dans le réservoir. Utilisé pour les eaux usées des industries alimentaire, pharmaceutique, papetière, pétrochimique et sidérurgique. Sensible aux chocs toxiques et aux variations de pH, mais très efficace pour la fraction biodégradable de la charge organique (mesurée par la DBO5 et la partie biodégradable de la DCO).
• Bioréacteurs à membrane (MBR). Boues activées combinées à une filtration membranaire à la place d’un décanteur secondaire. Permet d’obtenir des concentrations de biomasse et une qualité d’effluent beaucoup plus élevées que les boues activées conventionnelles, avec une empreinte au sol plus faible. Efficace pour les micropolluants pharmaceutiques biodégradables et les eaux usées textiles contenant des colorants ; les composés plus réfractaires tels que la carbamazépine, le diclofénac et l’ibuprofène ne sont que partiellement éliminés et nécessitent généralement un polissage en aval (AOP ou charbon actif). Les principales contraintes sont l’encrassement des membranes et le coût de l’énergie.
• Réacteurs à biofilm à lit mobile (MBBR). Des supports en plastique suspendus dans un réservoir aéré fournissent une surface pour la croissance du biofilm. Plus résistants aux variations de charge que les systèmes de croissance en suspension, ils sont de plus en plus utilisés dans le traitement des eaux usées alimentaires et pharmaceutiques.
• Réacteurs discontinus de séquençage (SBR). Un seul réservoir passe par les phases de remplissage, de réaction, de décantation et de décantation. Flexible pour les flux et les charges variables, il est bien adapté aux industries laitières, aux industries de transformation de la viande et aux autres industries à décharge discontinue.
• Filtres à tricoter et contacteurs biologiques rotatifs (RBC). Procédés aérobies à film fixe dans lesquels les eaux usées sont réparties sur un lit de média (filtre à ruissellement) ou un disque rotatif (RBC). Moins d’énergie que les AS, mais efficacité d’élimination généralement plus faible et plus grande sensibilité à la température.
• Lagunes aérées et étangs de stabilisation. Grands bassins peu profonds reposant sur l’aération mécanique ou l’activité algale et bactérienne. Utilisés dans l’industrie des pâtes et papiers et dans certaines industries alimentaires lorsque le terrain est disponible. Longs temps de rétention mais coûts d’exploitation très faibles.

Procédés biologiques anaérobies

• Réacteurs à lit de boues anaérobies à écoulement ascendant (UASB). Les eaux usées s’écoulent vers le haut à travers un lit dense de boues granulaires anaérobies. Ce système produit du biogaz riche en méthane en tant que sous-produit utilisable et génère beaucoup moins de boues que les systèmes aérobies. Le premier choix pour les eaux usées à haute résistance dans les industries alimentaires, de la pâte à papier et des huiles comestibles.
• Digesteurs anaérobies et lagunes anaérobies. Réservoirs fermés ou lagunes couvertes qui décomposent les matières organiques sans oxygène. L’EPA classe le traitement anaérobie dans une catégorie distincte d’eaux usées industrielles pour la pâte à papier, l’industrie alimentaire, la production d’éthanol et le raffinage du pétrole.
• Réacteurs à lit de boues granulaires expansées (EGSB). Une évolution de l’UASB avec des vitesses d’écoulement plus élevées, utilisée pour le traitement du café et d’autres flux à forte charge organique.

Configurations biologiques hybrides et avancées

• Les configurations anaérobies-anoxiques-oxiques (A²O) et les configurations multi-étapes apparentées. Trains de traitement combinant des zones anaérobies, anoxiques et aérobies (oxiques) dans des séquences différentes pour éliminer les matières organiques, l’azote et le phosphore dans un système intégré. Largement utilisé dans le traitement des eaux usées de cokéfaction dans l’industrie du fer et de l’acier, où les eaux usées contiennent de l’ammoniac, du cyanure, des phénols et des matières organiques réfractaires.
• Zones humides construites. Systèmes techniques utilisant des plantes et des substrats pour traiter les eaux usées par des processus biologiques, physiques et chimiques combinés. Utilisés pour le polissage ou le prétraitement des eaux usées de la sidérurgie, de l’industrie alimentaire et de la transformation des fruits et légumes.

Technologies de traitement chimique

Les traitements chimiques sont utilisés soit pour activer d’autres processus (tels que l’ajustement du pH pour le traitement biologique), soit pour éliminer les polluants que la biologie ne peut pas traiter. Ils sont généralement plus coûteux par unité de polluant éliminé que le traitement biologique, mais ils constituent souvent la seule option pour les composés réfractaires ou toxiques.

• Neutralisation et ajustement du pH. Dosage avec des acides (sulfurique, chlorhydrique) ou des bases (hydroxyde de sodium, hydroxyde de calcium) pour amener les eaux usées dans la plage de fonctionnement des processus en aval, en particulier le traitement biologique et la précipitation des métaux. Obligatoire pour les eaux usées de ciment et de béton à pH élevé et pour les effluents acides de traitement des métaux.
• Précipitation chimique. Ajout de réactifs pour convertir les métaux ou le phosphore dissous en composés insolubles qui peuvent être éliminés par sédimentation ou filtration. La chaux, le sulfure et le chlorure ferrique sont des réactifs courants. Essentiel pour les eaux usées contenant des métaux lourds provenant de la métallurgie, de la galvanoplastie et de l’exploitation minière.
• Oxydation chimique. Utilisation d’oxydants tels que le chlore, le peroxyde d’hydrogène ou le permanganate de potassium pour détruire des polluants spécifiques (cyanure, sulfures, matières organiques) ou pour oxyder le fer et le manganèse dissous en formes amovibles.
• Procédés d’oxydation avancés (AOP). Générer des radicaux hydroxyles hautement réactifs pour décomposer les composés organiques réfractaires qui résistent aux traitements conventionnels. Les principales variantes d’AOP sont les suivantes :
  • Ozonation et ozone/H2O2, utilisés dans les eaux usées de blanchiment de la pâte à papier et du papier et dans l’élimination des colorants textiles.
  • Oxydation Fenton et photo-Fenton, utilisant des catalyseurs de fer avec du peroxyde d’hydrogène, souvent plus efficace avec la lumière UV, utilisée pour les eaux usées pharmaceutiques et de cokéfaction.
  • UV/H2O2, appliqué aux produits pharmaceutiques réfractaires et aux intermédiaires de teinture.
  • Photocatalyse hétérogène (typiquement TiO2 ou ZnO avec UV), étudiée pour les effluents textiles et pharmaceutiques.
• Traitement électrochimique. Électrocoagulation (production in situ de coagulant par des électrodes sacrificielles) et oxydation électrochimique (oxydation directe ou médiée à la surface d’une électrode). Utilisé pour les eaux usées pétrochimiques huileuses, les eaux de cokéfaction et les flux pharmaceutiques. Évite la manipulation chimique de la coagulation conventionnelle, mais a des coûts énergétiques plus élevés.
• Désinfection (chloration, UV, ozone). Inactivation finale des agents pathogènes avant le rejet ou la réutilisation. La chloration fournit un résidu mais peut former des sous-produits de désinfection ; les UV ne produisent pas de sous-produits mais n’offrent pas de résidu ; l’ozone est très efficace mais plus complexe à utiliser.

Technologies de traitement tertiaire et avancé

Le traitement tertiaire permet de polir les effluents issus du traitement secondaire afin de respecter des limites de rejet strictes, de permettre la réutilisation de l’eau ou d’éliminer des micropolluants spécifiques. Ces technologies sont de plus en plus courantes car les permis de rejet industriel sont plus stricts et les installations cherchent à recycler l’eau pour réduire les coûts d’admission.

• Filtration sur support granulaire (sable, multimédia, anthracite). Élimine les solides résiduels en suspension qui passent par la clarification secondaire. Une étape standard de polissage final avant la désinfection ou le traitement membranaire.
• Adsorption sur charbon actif (GAC et PAC). Élimine les matières organiques dissoutes, la couleur, les traces de métaux, les composés chlorés, les pesticides et les produits pharmaceutiques réfractaires. Le charbon actif en grains (CAG) est utilisé dans des lits fixes ; le charbon actif en poudre (CAP) est dosé puis éliminé en aval. Ce procédé est efficace, mais le charbon doit être régénéré ou éliminé en tant que déchet.
• Échange d’ions. Les résines échangent les ions indésirables présents dans les eaux usées contre des ions inoffensifs. Les résines cationiques sont utilisées pour l’adoucissement (élimination du calcium et du magnésium) ; les résines anioniques éliminent le nitrate, le sulfate, le chromate et d’autres anions. Elles sont largement utilisées pour le traitement de surface des métaux, les semi-conducteurs et les eaux usées industrielles contenant des nitrates. La régénération produit une saumure concentrée qui nécessite sa propre filière d’élimination.
• Microfiltration (MF). Membranes dont les pores ont une taille comprise entre 0,1 et 1 µm. Elles éliminent les solides en suspension, les bactéries et les protozoaires. Utilisées comme prétraitement pour l’osmose inverse ou comme étape de polissage autonome.
• Ultrafiltration (UF). La taille des pores est de l’ordre de 0,01 à 0,1 µm. Rejettent les macromolécules organiques, les colloïdes et les virus. Courant dans le traitement de la liqueur noire des pâtes et papiers et dans le recyclage des eaux usées de la sidérurgie.
• Nanofiltration (NF). Intermédiaire entre l’UF et l’OI ; taille des pores d’environ 0,001 à 0,01 µm. Rejettent les ions bivalents, les matières organiques d’un poids moléculaire supérieur à 200 et une fraction importante des sels monovalents. Utilisées pour l’élimination de la couleur et du COT dans les eaux usées des usines de pâtes et papiers.
• Osmose inverse (RO). Le procédé membranaire le plus sélectif ; la taille effective des pores est d’environ 0,0001 à 0,001 µm. Élimine la quasi-totalité des sels dissous et des composés organiques. La solution par défaut pour le dessalement, la réutilisation de l’eau et les systèmes de décharge zéro liquide dans la sidérurgie, les textiles et les produits pharmaceutiques. Gourmande en énergie, elle produit un flux de rejet concentré qui doit être éliminé.
• Évaporation et distillation. Concentration thermique des eaux usées, en particulier pour les saumures et les eaux à forte teneur en DTS. Utilisée dans les applications à rejet nul de liquide.
• Distillation à membrane. Un hybride émergent combinant la force motrice thermique et les membranes hydrophobes, applicable aux flux industriels à forte salinité.
• Décapage (décapage à l’air, décapage à la vapeur). Élimine les composés organiques volatils, l’ammoniac et les gaz dissous en les transférant de l’eau vers une phase gazeuse. Utilisé dans les eaux usées de la pétrochimie, des raffineries et celles contenant de l’ammoniac.

Adapter les technologies à l’industrie : Une référence rapide

Des industries différentes génèrent des profils d’eaux usées différents, et les combinaisons technologiques qui leur conviennent en sont le reflet. Les combinaisons suivantes sont courantes dans la pratique et soutenues à la fois par les données technologiques de l’EPA et par la littérature sur le traitement des eaux usées industrielles évaluée par les pairs.

• Aliments et boissons (viande, produits laitiers, poisson, boulangerie, sucre) : Dégrillage, égalisation, DAF, coagulation-floculation, suivi d’un traitement biologique aérobie (boues activées, SBR, MBR) ou anaérobie (UASB) pour les flux à haute résistance. AOPs ou zones humides construites pour le polissage.
• Pâtes et papiers : Clarification primaire ou DAF, suivie d’un traitement aérobie (boues activées, lagunes aérées) ou anaérobie (UASB), avec NF ou RO pour la réutilisation de l’eau en circuit fermé. L’ozonation est utilisée commercialement pour le blanchiment des effluents.
• Pétrochimie et raffineries : Séparation huile/eau, DAF, traitement biologique (aérobie et anaérobie combinés), avec AOP (photocatalyse, Fenton) pour les composés aromatiques et phénoliques réfractaires.
• Fer et acier (en particulier la cokéfaction) : Coagulation-floculation, systèmes biologiques hybrides (A²O et configurations multi-étapes apparentées), adsorption sur charbon actif, AOP (ozonation, Fenton) et zones humides artificielles comme prétraitement pour le recyclage de l’eau UF/RO.
• Textiles : Tamisage, coagulation-floculation, traitement biologique combiné aérobie-anaérobie ou MBR, AOP pour l’élimination des colorants, NF/RO pour la récupération de l’eau et des sels.
• Produits pharmaceutiques : Séparation physique primaire, MBR pour l’élimination des micropolluants, AOP (ozone, Fenton, photocatalyse) pour les composés réfractaires, polissage GAC.
• Ciment, béton et céramique : neutralisation du pH, sédimentation, coagulation-floculation, le traitement biologique étant parfois utilisé pour les eaux de traitement contenant des matières organiques.

Questions fréquemment posées

Conclusion : La bonne technologie est celle qui correspond au polluant

Le traitement des eaux usées industrielles ne consiste pas à trouver la meilleure technologie. Il s’agit de construire la séquence correcte de technologies complémentaires pour les eaux usées spécifiques en question. La base de données IWTT de l’EPA et la littérature plus large évaluée par les pairs font toutes deux le même constat : chaque technologie mentionnée dans ce guide a une période où elle est exceptionnellement performante et une période où elle échoue. Le travail de l’opérateur consiste à savoir laquelle est laquelle avant la mise en service, et non après.

Les exploitants d’installations qui choisissent des technologies de traitement basées sur une caractérisation approfondie de leurs eaux usées, comparées à des données documentées sur les performances industrielles et intégrées dans une chaîne de traitement à plusieurs étapes, sont ceux qui respectent systématiquement les conditions d’autorisation. Le guide ci-dessus est un point de départ. L’adéquation est le véritable travail.