La réutilisation des eaux usées épurées pour assurer l'arrosage des espaces verts permet d'économiser l'eau potable et d'en préserver les ressources naturelles. Cependant, les traitements appliqués à l'effluent brut sont insuffisants pour obtenir la qualité sanitaire requise : une étape complémentaire de désinfection est nécessaire. Les essais de désinfection par rayonnement ultraviolet, entrepris à Argelès-sur-Mer, se sont révélés très concluants : la technologie proposée par Degrémont, encore peu répandue en Europe dans le traitement d'eaux résiduaires, a permis de respecter constamment les recommandations du Conseil Supérieur d'Hygiène Publique de France.
La commune d’Argelès-sur-Mer, station balnéaire de la côte méditerranéenne, a aménagé de nombreux espaces verts, notamment en bordure de plage ; l’arrosage y est indispensable, en été comme en hiver. Soucieuse d’économiser l’eau potable et d’en préserver les ressources naturelles, la « station verte » d’Argelès envisage de réutiliser les eaux usées épurées pour réaliser l’arrosage des espaces publics, ce qui lui permettra aussi de limiter les rejets en mer et de diminuer le coût de l’opération.
Si la qualité chimique des effluents rejetés est compatible avec leur réutilisation en arrosage, leur qualité bactériologique reste insuffisante pour respecter les recommandations fixées par le Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France : moins de 1000 coliformes fécaux/100 ml et moins d’un œuf d’helminthe par litre (contrainte la plus stricte, dite de type A). La désinfection devient donc nécessaire.
En 1993, la commune confie à la société Degrémont l’étude de faisabilité du projet. La technique de désinfection proposée est bien connue en matière de traitement d’eau potable mais encore peu répandue en Europe dans le traitement d’eaux résiduaires : il s’agit de la désinfection par rayonnement ultraviolet.
L’objectif de l’étude est simple : respecter les recommandations du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France et abaisser le prix du m³ d’eau utilisé.
Matériel et méthodes
Matériel
Le pilote ultraviolets (UV)* comprend un canal en acier inoxydable dans lequel sont disposées six lampes à basse pression de vapeur de mercure émettant chacune un arc UV de 147,3 cm (figure 1).
Il est installé à la sortie de la filière biologique, de sorte que l’eau résiduaire a déjà subi un prétraitement (dégrillage, dessablage, dégraissage), une décantation primaire, une aération prolongée suivie d’une clarification avant de se déverser dans le canal de comptage d’où elle est pompée pour alimenter le canal UV.
Compte tenu de l’objectif de traitement retenu (< 1000 CF/100 ml en sortie des UV) mais aussi de la qualité et du débit de l’effluent à traiter (transmittance de l’ordre de 55 % et débit de 25 m³/h), le dosage minimal délivré par l’installation est de l’ordre de
* Abréviations utilisées dans cet article : CF : Coliformes fécaux, CT : Coliformes totaux, DCO : Demande chimique en oxygène, IUV : Intensité UV, MES : Matières en suspension, npp : Nombre le Plus Probable, TUV : Transmittance UV, UL : Unité logarithmique, UV : Ultraviolet.
Tableau I
| Essais avec filtration. |
| Date des essais |
| 11 octobre 1993 |
| 12 octobre 1993 |
| 18 octobre 1993 |
| 19 octobre 1993 |
| Prélèvements ponctuels horaires réalisés à... |
| 10-11-12-13-17-18-19-20 h |
| Lieu de prélèvement |
| A, B et C (amont et aval du filtre et aval du canal UV) |
| Concentration en matières en suspension (A-B) |
| Analyses réalisées |
| Transmittance UV (A-B) |
| Coliformes totaux (A-C) |
| Coliformes fécaux (A-C) |
| Débit de fonctionnement du pilote |
| 25 m³/h |
Tableau II
| Essais sans filtration. |
| Date des essais |
| 25 octobre 1993 |
| 04 novembre 1993 |
| Prélèvements ponctuels horaires réalisés à... |
| 7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23 h |
| Lieu de prélèvement |
| A et C (amont du filtre et aval du canal UV) |
| Concentration en matières en suspension (A) |
| Analyses réalisées |
| Transmittance UV (A) |
| Coliformes totaux (A-C) |
| Coliformes fécaux (A-C) |
| Débit de fonctionnement du pilote |
| 25 m³/h |
Tableau III
| Effet d'une augmentation de dosage. |
| Date des essais |
| 23 novembre 1993 |
| Prélèvements ponctuels horaires réalisés à... |
| 7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-21-22-23 h |
| Lieu de prélèvement |
| A et C (amont du filtre et aval du canal UV) |
| Concentration en matières en suspension (A) |
| Analyses réalisées |
| Transmittance UV (A) |
| Coliformes totaux (A-C) |
| Coliformes fécaux (A-C) |
| Débit de fonctionnement du pilote |
| 20 m³/h |
Tableau IV
| Stockage de l'eau désinfectée. |
| Essai réalisé pendant... |
| 48 h |
| 10 jours |
| Bâche |
| 500 litres à température ambiante (15 °C) |
| 4 bacs de 15 litres chacun entreposés dans un local à 20 °C |
| 2 bacs contiennent de l’effluent traité aux UV |
| 2 bacs contiennent l’eau de sortie de station non traitée aux UV |
| Prélèvements toutes les 4 h (les prélèvements sont triplés) |
| Lieu de prélèvement |
| à mi-hauteur de la bâche |
| à mi-hauteur des bacs |
| Analyse réalisée |
| coliformes fécaux |
| coliformes fécaux |
| Débit de fonctionnement du pilote (filtration rapide en service) |
| 25 m³/h |
30 000 µWs/cm² pour des lampes en fin de vie (une étude préliminaire conduite sur 48 h a permis de définir le débit d'alimentation et d’identifier les tranches horaires de prélèvements reflétant au mieux les variations observées sur la qualité et le débit de l’effluent à traiter).
Le système de pompes, canalisations et vannes permet d’alimenter le pilote UV en effluent soit de façon directe, soit après filtration sur sable (2 filtres Astral ; hauteur de sable = 0,8 m ; granulométrie de 0,8 à 1,4 mm ; f = 1,4 m fonctionnant en alternance).
Méthodes
Le suivi des performances UV est réalisé en 3 points : en amont du filtre à sable (point A), en aval du filtre à sable, donc en amont du canal UV (point B), et en aval du canal UV (point C).
Les prélèvements pour analyses sont ponctuels et réalisés à chaque heure de la tranche horaire définie.
Les paramètres suivis sont :
- * Transmittance UV de l’eau : pourcentage de transmission du rayonnement ultraviolet à travers 10 mm d'échantillon à une longueur d’onde de 253,7 nm.
- * Concentration en matières en suspension (mg/l).
- * Demande chimique en oxygène totale et soluble (mg O₂/l).
- * Coliformes fécaux (npp/100 ml).
- * Coliformes totaux (npp/100 ml).
- * Œufs d’helminthes intestinaux pathogènes (nombre/litre).
Les protocoles analytiques sont reportés en encadré.
Par ailleurs, la perte de charge à travers les filtres, l’intensité relative des lampes UV et la température de l’eau sont suivies sur site pour veiller à la bonne marche du pilote.
Avant chaque essai, les gaines de quartz abritant les lampes UV sont nettoyées à l’aide d’une solution détartrante contenant 10 % d’acide phosphorique, avant d’être rincées et réintroduites dans le canal, lui-même préalablement rincé.
Les protocoles suivis sont reportés dans les tableaux I à VI :
Essais avec filtration : les filtres sont lavés avant chaque essai (10 min à 25 m³/h) avec de l’eau sortant de la filière biologique (tableau I).
Essais sans filtration : le protocole est rapporté dans le tableau II.
Effet d'une augmentation de dosage (par diminution de débit) : le protocole
- A - Alimentation en eau brute à traiter
- B - Surplus d'eau brute —> retour amont alimentation
- C - Eau de lavage —> égouts
- D - Eau désinfectée —> rivière
- Pumpe de lavage des filtres (30 m³/h).
- Pumpe d'alimentation en eau à traiter (5 à 25 m³/h).
- Débitmètre.
- Prise d'échantillon d'eau brute.
- Système de canalisations et de vannes permettant - la filtration de l'eau brute, - ou le by-pass de la filtration, - et/ou le lavage des filtres
- Deux filtres rapides à sable (en alternance).
- Prise d'échantillon d'eau filtrée.
- Tranquillisateur en amont du pilote U.V.
- Canal U.V. - 3 modules de 2 lampes chacun, - 1 cellule sensible aux U.V.
- Armoire de commande et de contrôle des lampes et de la cellule.
- Prise d'échantillon d'eau désinfectée.
Est rapporté dans le tableau III.
Stockage de l’eau désinfectée
Le stockage de l'eau désinfectée est envisagé ; il s'agit de savoir si l'on observe ou pas une recroissance bactérienne. Deux essais sont réalisés (tableau IV).
Encrassement des lampes
Le protocole est rapporté dans le tableau V.
Le nettoyage des lampes est effectué le 8 novembre, date du début de l'essai. L'installation UV fonctionne alors 15 jours sans interruption et sans aucun nettoyage des lampes. Les filtres, quant à eux, travaillent en alternance (déclenchement du lavage lorsque la perte de charge dépasse 1 bar ou lorsque la perte de charge est telle que le débit ne peut être maintenu à la valeur fixée).
Rétention des œufs d’helminthes
Le dosage ultraviolet de l’ordre de 30 000 µW·s/cm² est insuffisant pour éliminer les œufs d’helminthes éventuellement rencontrés. La filtration rapide sur sable est retenue comme moyen de traitement.
Des dénombrements d’œufs d’helminthes sont donc réalisés sur la station en trois points : entrée de station, sortie de traitement biologique, sortie du filtre à sable (tableau VI).
Résultats – discussion
Qualité de l’effluent avant désinfection par rayonnement ultraviolet
La qualité de l’effluent sortant de la filière biologique est illustrée par les figures 2 et 3.
La qualité moyenne de l’effluent sortant de la filière biologique pendant la durée des essais est reportée dans le tableau VII.
L'effluent est de bonne qualité avec quelques variations lors de fortes pluies ou encore lors de surcharge de la station.
Le ratio de 0,85 entre la concentration en coliformes fécaux et la concentration en coliformes totaux est celui que l'on rencontre habituellement dans les eaux usées.
Désinfection bactérienne avec filtration
Efficacité de la filtration
Les résultats des mesures réalisées en amont (A) et en aval du filtre (B) permettent d’apprécier l’efficacité de la filtration (figure 4) : les rendements d’élimination des matières en suspension sont compris entre 29 et 50 % en moyenne. En outre, la transmittance est améliorée de 3 à 6 % tandis que l'abattement en coliformes fécaux observé est de l’ordre de 0,5 unités logarithmiques.
Efficacité de la désinfection
Les concentrations en coliformes fécaux en aval du canal UV sont toutes inférieures à 1000 npp/100 ml ; les moyennes géométriques sont même inférieures à 300 / 100 ml (la moyenne géométrique étant la racine n-ième du produit des résultats obtenus). Les recommandations du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France sont donc bien respectées (figure 5).
L’observation plus fine des résultats révèle que les abattements des 18 et 19 octobre sont supérieurs à ceux des 11 et 12 octobre. Parallèlement, les valeurs de DCO rencontrées sur les échantillons des 18 et 19 octobre sont plus faibles (et les transmittances UV plus fortes) que celles des 11 et 12 octobre. L’efficacité de la désinfection est donc bien liée à la qualité de l'effluent à traiter.
Efficacité globale de l’ensemble filtration-désinfection
Globalement (filtration + désinfection par UV), l'abattement en coliformes fécaux est de 3,3 unités logarithmiques contre 2,9 en coliformes totaux (figure 6).
Tableau V Encrassement des lampes
| Essais réalisés les… |
| … 08 novembre 1993 |
| … 15 novembre 1993 |
| Prélèvements ponctuels horaires réalisés à… |
| … 10-11-12-13-17-18-19-20 h |
| Lieu de prélèvement |
| B et C (aval du filtre et aval du canal UV) |
| Analyse réalisée |
| Teneur en matières en suspension (B) |
| Transmittance UV (B) |
| Coliformes fécaux (B-C) |
| Débit de fonctionnement du pilote |
| 25 m³/h |
Tableau VI Rétention des œufs d’helminthes
| Essais réalisés les… |
| … 19 octobre 1993 |
| … 22 novembre 1993 |
| Prélèvements ponctuels horaires réalisés à |
| … 10-11-12-13-17-18-19-20 h |
| Lieu de prélèvement |
| Entrée de station, sortie de traitement biologique, sortie du filtre à sable |
| Analyses réalisées |
| Dénombrement des œufs d’helminthes en chacun des lieux de prélèvement |
| Coliformes fécaux (B-C) |
Tableau VII Bilan de la qualité de l’effluent biologique
| Éléments – Moyenne (minimum-maximum) |
| Transmittance UV à 253,7 nm (%) : 59,5 (49-72) |
| Teneur en matières en suspension (mg/l) : 11,7 (4-21) |
| Coliformes totaux (npp/100 ml) : 6,4·10⁵ (1,1·10⁵-1,5·10⁶) |
| Coliformes fécaux (npp/100 ml) : 9,0·10⁴ (1,5·10⁴-3,4·10⁵) |
Désinfection bactérienne sans filtration
La désinfection, même sans filtration préalable, permet de respecter les recommandations du Conseil supérieur d’Hygiène publique de France (figure 7) ; les moyennes géométriques sont même inférieures à 200/100 ml et l’abattement moyen est de l’ordre de 3 unités logarithmiques.
La comparaison des essais de désinfection avec et sans filtration préalable ne montre pas de différence significative sur l’abattement bactérien obtenu en sortie des UV. En cette période de l’année, la filtration ne serait donc pas nécessaire pour obtenir moins de 1 000 coliformes fécaux en sortie de traitement. Le filtre permettrait toutefois d’écrêter les variations éventuelles de matières en suspension susceptibles de diminuer l’efficacité de la désinfection.
Effet d’une augmentation de dosage (par diminution du débit)
La diminution de 20 % du débit a été réalisée sur un effluent de transmittance exceptionnelle (72 %). L’augmentation du dosage qui en a résulté (liée à la diminution de débit pour un même nombre de lampes en fonctionnement mais aussi à l’augmentation de transmittance de l’effluent à traiter) s’est accompagnée d’un abattement moyen de 5,3 unités logarithmiques pour les coliformes fécaux. La comparaison des résultats obtenus le 23 novembre avec ceux du 18 octobre (jour où la transmittance était la plus forte) met en évidence une amélioration de près de 1 log d’abattement des performances de la désinfection (figure 8).
Suivi de l’encrassement des lampes
Les trois bilans sont représentés par la figure 9.
Après quinze jours de fonctionnement continu du pilote, la désinfection reste efficace et les recommandations du Conseil supérieur d’Hygiène publique de France sont respectées. La figure 10 présente le suivi de l’intensité relative des lampes, IUV, relevée sur l’armoire de commande du pilote.
La valeur de IUV renseigne sur l’encrassement des gaines de quartz protégeant les lampes. De 95 % au début des essais, elle est passée à 56 % après quinze jours de fonctionnement, accusant donc une diminution de 39 % sur quinze jours. Une mesure complémentaire réalisée au début et à la fin des quinze jours avec de l’eau potable (100 % de transmittance) donnait 100 % pour IUV le 8 novembre et seulement 68 % le 22 novembre. Le nettoyage des gaines a permis de restaurer la valeur de 100 %.
La désinfection est, quant à elle, restée efficace comme en témoigne la figure 10.
Stockage de l’eau désinfectée
Le tableau VIII présente les résultats de la première expérience : l’effluent désinfecté ne contient plus de bactéries cultivables au début de l’expérience ; après 48 h de stockage, aucune croissance bactérienne n’est mise en évidence. Notons toutefois que la température au cours du stockage reste relativement basse (11 à 14 °C).
Pour confirmer ces résultats, la seconde expérience est entreprise (se reporter au tableau IV pour le protocole). Le tableau IX présente les résultats obtenus. Les analyses bactériennes ne révèlent aucune croissance bactérienne significative dans des bacs contenant de l’eau désinfectée, même après 216 h de stockage.
Dans le bac témoin contenant de l'eau non désinfectée à l’abri de la lumière.
Modes opératoires des analyses physico-chimiques
Transmittance U.V.
Spectrophotométrie à la longueur d’onde spécifique de 253,7 nm (cuve de 10 mm). Mesure de la transmission d'un rayonnement ultraviolet au travers de l'eau à analyser.
Matières en suspension
Norme Afnor NF T 90 105 (mars 1972). Méthode de filtration sur membrane. Un volume de 100 ml d’eau à analyser est filtré (préfiltre Sartorius Prefilter Glass Fibre ; Ø = 47 mm ; Ø pores = 0,45 µm). Le filtre, qui a retenu les matières en suspension, est séché (24 heures à l'étuve à 105 °C). Des pesées du filtre avant filtration et après séchage permettent d’évaluer la teneur en M.E.S.
Demande chimique en oxygène
Norme Afnor NF T 90 101 (2 octobre 1988). DCO totale et soluble (après filtration ; préfiltre Sartorius ; diamètre des pores = 0,45 µm). La méthode normalisée pour les eaux usées utilise le dichromate de potassium en milieu sulfurique à chaud, oxydant puissant dont la consommation permet de définir la DCO.
Modes opératoires des analyses bactériologiques
Recherche et dénombrement des coliformes totaux et des coliformes thermotolérants
Norme Afnor NF T 90 413 (octobre 1985). Méthode générale par ensemencement en milieu liquide. Ensemencement d’une prise d’essai de l’échantillon, dilué ou non, dans une première série de tubes de milieu présomptif (bouillon lactosé simple concentration). Examen des tubes après 24 h et 48 h d’incubation à 30 °C et repiquage des tubes troubles et ayant donné lieu à un dégagement gazeux dans une seconde série de tubes de milieu plus sélectifs (milieu de Schubert). Incubation de ces milieux de confirmation durant 48 h, soit à 37 °C pour la recherche des coliformes totaux, soit à 44 °C pour la recherche des coliformes thermotolérants. Le calcul de la concentration fait appel au nombre le plus probable. Il faut déterminer le nombre de tubes positifs correspondant à trois dilutions consécutives et utiliser des tables statistiques pour déterminer le NPP.
Tableau VIII – Suivi du stockage de l'eau désinfectée
| Date du prélèvement | Heure | Date t (heures) | T °C eau | C.F (3 répétitions) |
|---|---|---|---|---|
| 08/11 | 12 h | 0 | 14,2 | 0 |
| 08/11 | 16 h | 4 | 14,2 | 0 |
| 08/11 | 20 h | 8 | 13,9 | 0 |
| 09/11 | 9 h | 20 | 12,9 | 0 |
| 09/11 | 12 h | 24 | 12,8 | 0 |
| 09/11 | 16 h | 28 | 12,9 | 0 |
| 10/11 | 8 h | 44 | 11,1 | 0 |
| 10/11 | 12 h | 48 | 11,1 | 0 |
La concentration augmente dans les premières 48 h puis diminue ; cependant, la concentration en coliformes fécaux dans le bac témoin contenant de l’eau non désinfectée à la lumière diminue dès le début du stockage. Notons que la température de l'eau n’a pu être maintenue qu’à 15 °C (température entre 11 et 15 °C).
En conclusion, l’effluent préalablement traité aux UV puis stocké à l’obscurité ou à la lumière ne montre pas de reprise de croissance bactérienne dans les conditions de l'expérience.
Rétention des œufs d'helminthes
Les résultats des deux séries d’essais de prélèvements sont rapportés dans le tableau X : aucun œuf d’helminthe n'est retrouvé après le filtre à sable. Les recommandations du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique de France sont bien respectées. Même si les concentrations en œufs d’helminthes à l’entrée de la station sont
Tableau IX
Suivi du stockage de l'eau désinfectée (S1 et S2) et non désinfectée (T1 et T2).
| Date t (heures) | T°C eau | C.F | T°C eau | C.F | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| S1 | S1 | S2 | S2 | |||
| 0 | 15,6 | 36 | 36 | 15 | 230 | 1500 |
| 24 | 14,3 | 0 | 0 | – | – | – |
| 48 | 14,9 | 0 | 0 | 15 | 930 | 930 |
| 72 | 14,9 | 0 | 0 | – | – | – |
| 96 | 14,8 | 0 | 0 | 15 | 930 | 230 |
| 120 | 15,3 | 0 | 0 | – | – | – |
| 144 | 15,4 | 0 | 0 | 15 | 150 | 230 |
| 168 | 15,7 | 0 | 0 | – | – | – |
| 192 | 16,1 | 0 | 0 | – | – | – |
| 216 | 15,9 | 0 | 0 | – | – | – |
Tableau IX
Dénombrement des œufs d'helminthes pathogènes intestinaux.
| Date du prélèvement | Lieu de prélèvement | Nombre de prélèvements | Nombre d'œufs d'helminthes | Genres de nématodes |
|---|---|---|---|---|
| 19/10 | Entrée station | 1 | 2 | Ascaris, Trichuris |
| 19/10 | Sortie biologique | 1 | 1 | Toxocara |
| 19/10 | Sortie filtre | 2 | 0 | – |
| 22/11 | Entrée station | 1 | 3 | Ascaris, Trichuris |
| 22/11 | Sortie biologique | 1 | 0 | – |
| 22/11 | Sortie filtre | 2 | 0 | – |
Fig. 9 : Suivi de l'efficacité de la désinfection sur une durée de 15 jours (B = amont UV ; C = aval UV).
Fig. 10 : Suivi de l'encrassement des lampes.
faibles (deux à trois œufs pour huit litres), la filtration sur sable permet d’arrêter ceux qui peuvent franchir les barrières des traitements primaire et secondaire.
Conclusion
La désinfection UV des eaux traitées de la station d'Argelès-sur-Mer offre de bonnes perspectives de réutilisation des eaux usées, notamment l'arrosage des espaces verts.
La qualité physico-chimique de l'effluent est suffisante pour envisager une désinfection par rayonnement ultraviolet (Transmittance > 45 %; teneur en matières en suspension < 30 mg/l).
Les recommandations du Conseil Supérieur d'Hygiène Publique de France sont respectées avec ou sans filtration rapide sur sable en amont des UV (moins de 1000 coliformes fécaux / 100 ml).
La filtration est toutefois recommandée pour arrêter les œufs d’helminthes qui ne sont pas touchés par les UV à un dosage de 30 000 µWs/cm². Elle permet également d’écrêter les pointes de matières en suspension éventuellement rencontrées.
Ce temps d’encrassement des gaines de quartz varie en fonction de la qualité des eaux à traiter.
BIBLIOGRAPHIE
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