Une installation de désinfection par ultraviolet (Trailigaz-Trojan, série UV 3000) a été mise en place à la fin mai 1994 dans la nouvelle station d'épuration d'Outreau - Le Portel (Pas-de-Calais), dont le rejet se déverse à proximité de la plage de Le Portel. Une telle unité est la première de ce type en France. L'installation est décrite. Les garanties de désinfection sont un rejet dont la concentration en germes doit être inférieure à 200 Escherchia coli / 100 ml en moyenne géométrique sur 30 jours, et inférieure à 2000 E. coli 100% du temps. Les résultats obtenus du 1er juin au 3 octobre lors d'un suivi réalisé conjointement par la Compagnie Générale des Eaux, l'Agence de l'Eaux Artois-Picardie et Anjou Recherche sont précisés.
Jusqu’en 1993, les eaux usées de la majeure partie des communes d’Outreau et de Le Portel (Pas-de-Calais) étaient traitées par la station d’épuration du Syndicat Intercommunal (SIOLP) construite en 1974. Afin de répondre aux nouvelles exigences des directives européennes en matière de traitement des eaux, les installations ont été rénovées récemment par OTV, et la nouvelle station, exploitée par la Compagnie Générale des Eaux, a été mise en service fin mai 1994.
Le rejet des effluents traités s’effectue à proximité de la plage de Le Portel, ce qui joue un rôle important sur la qualité microbiologique d’eaux fréquentées l’été par de nombreux vacanciers. En effet, malgré son haut niveau de technicité pour éliminer les matières en suspension, le carbone et l’azote, et comme toutes les installations « classiques », la station ne détruit qu’une très faible partie des germes présents dans les eaux usées.
D’importantes quantités de micro-organismes se retrouvent ainsi chaque jour dans le milieu récepteur ; ce sont dans leur très grande majorité des bactéries inoffensives pour l’homme. Leur présence en nombre important signifie toutefois la présence possible de germes pathogènes pouvant présenter un risque pour la santé, comme les salmonelles et les entérovirus.
Afin de protéger la plage des rejets contaminés issus de la station d’épuration, les élus ont décidé d’améliorer le système d’épuration en le complétant par un traitement tertiaire de désinfection. Une telle décision a été prise en tenant compte du contexte local : il n’existe pas en France, en effet, de norme concernant les rejets de germes dans l’environnement, c’est la qualité de celui-ci qui est réglementée (tableau !).
Le choix de la technologie de désinfection s’est porté sur les UV, en raison des avantages de ce procédé qui sont
En effet, multiples avantages peuvent être soulignés :
- - il ne fait intervenir ni stockage, ni dosage, ni manipulation de produits chimiques,
- - il est très compact, d’où une emprise au sol et un génie civil peu importants,
- - il est “propre”, ne modifiant pas les caractéristiques physico-chimiques de l'effluent et ne générant aucun sous-produit toxique,
- - il est plus efficace que le chlore pour détruire les virus.
L'installation mise en place par Trailgaz est de marque Trojan, société canadienne qui a introduit en 1982 le concept de désinfection UV par lampes horizontales en chenal ouvert. Ce concept est maintenant devenu le standard en matière de désinfection des eaux usées épurées, et Trojan a conquis la place de leader mondial en la matière avec, en 1994, près de 900 stations d’épuration équipées aux USA et au Canada.
En France, quelques études pilotes menées ces dernières années ont permis de tester le procédé à échelle réduite, mais de telles expérimentations ne permettent pas de conclure quant à la fiabilité à plus grande échelle. La réalisation d’Outreau-Le Portel est ainsi la première unité industrielle de désinfection par UV française, ce qui en fait un outil d’investigation tout à fait intéressant. Un suivi des performances de l’installation a donc été lancé par la Compagnie Générale des Eaux, avec le soutien financier de l’Agence de l’Eau Artois-Picardie et l’encadrement scientifique et technique d’Anjou Recherche.
Le but de la désinfection n’est pas d’éliminer totalement les micro-organismes des eaux usées mais de réduire le nombre de germes pathogènes à un niveau tel que le risque d'infection devienne acceptable. Sur le site d’Outreau-Le Portel, le niveau-plafond de contamination du rejet à garantir par la désinfection UV a été fixé inférieur à : 200 Escherichia coli/100 ml en moyenne géométrique sur 30 jours, et à 2 000 Escherichia coli 100 % du temps.
L’objectif du présent document est de décrire les résultats de la désinfection obtenus sur le site durant le premier été de fonctionnement, compte tenu en particulier de ces objectifs.
Tableau I
Directives communautaires fixant en France la qualité des eaux de baignade et des eaux conchylicoles.
(95) : Pourcentage d'échantillons devant être inférieurs à la valeur impérative ou la valeur guide. Coli. = Coliformes ; (*) = Chair ou liquide inter-valvaire.
Eaux de baignade – Eaux conchylicoles
| Micro-organismes | Valeur-guide | Valeur impérative | Micro-organismes | Valeur-guide |
|---|---|---|---|---|
| Coli. totaux /100 ml | 500 (80) | 10 000 (95) | ||
| Coli. thermotolérants /100 ml | 100 (80) | 2 000 (95) | Coli. thermotolérants /100 ml (*) | 300 |
| Streptocoques fécaux /100 ml | 100 (90) | |||
| Salmonelles /l | 0 (95) | |||
| Entérovirus UFP /10 l | 0 (95) |
Tableau II
Caractéristiques des lampes UV utilisées à Outreau.
(*) : Lampes neuves après 100 h de fonctionnement.
| Vapeur de mercure basse pression | |
|---|---|
| Longueur : | 162,6 cm |
| Longueur d’arc : | 147,3 cm |
| Diamètre : | 15 mm |
| Matériau : | Bioxyde de silicium |
| Puissance consommée : | 65 W |
| Puissance UV à 254 nm (*) : | 26,7 WUVC |
| Temps de fonctionnement garanti : | 1 an |
Tableau III
Qualité physico-chimique moyenne de l’effluent du 1er juin au 3 octobre.
| Éléments | %T uv | Turbidité NTU | DCO mgO₂/l | MES mg/l | Couleur mg Pt Co/l | Temp °C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Moyenne | 49 | 6 | 45 | 11 | 119 | 21 |
| min | 35 | 2 | 18 | 1 | 53 | 18 |
| max | 63 | 18 | 105 | 36 | 254 | 23 |
| nbre d’ech | 63 | 62 | 49 | 72 | 66 | 14 |
La nouvelle station d’épuration d'Outreau – Le Portel
La nouvelle station d’épuration a été mise en route fin mai 1994. Sa capacité nominale est de 40 000 eh, soit un débit moyen horaire de 175 m³/h par temps sec. Outre les eaux usées, elle reçoit une grande partie des eaux pluviales. Le débit d’entrée maximal sur la station est de 1 240 m³/h. Le débit admissible sur le traitement biologique est de 420 m³/h, ce qui correspond au débit de pointe de temps sec. En cas de pluie, pour des débits supérieurs, le surplus est stocké après prétraitement dans un bassin d’orage de capacité 7 000 m³, avant d’être renvoyé en tête de station, l’événement pluvieux passé.
L’épuration est assurée par les ouvrages suivants :
- • Prétraitement : dégrillage, dégraissage et dessablage.
- • Boues activées faible charge avec zone anoxique pour la dénitrification.
- • Clarification.
La qualité des rejets est fixée au niveau e-NGL1.
L’installation de désinfection par UV
Le dimensionnement de l’installation de désinfection par UV a été basé sur les caractéristiques suivantes :
- • Débit de pointe : 420 m³/h (temps de contact à ce débit de 12 s).
- • DCO max. : 120 mg O₂/l sur 2 h ou 90 mg O₂/l sur 24 h.
- • MES max. : 30 mg/l sur 2 h.
Le procédé de désinfection garantit un rejet dont la contamination est inférieure à 200 E.coli/100 ml en moyenne géométrique sur 30 jours et inférieure à 2 000 E.coli 100 % du temps (rappelons que la moyenne géométrique de n valeurs est égale à la racine nième du produit des n valeurs).
Le système comporte 176 lampes UV à basse pression réparties en deux blocs de 11 modules (un module comporte huit lampes UV). Les deux blocs sont placés en série dans un chenal ouvert en béton dans lequel circule l’effluent épuré. Les lampes sont orientées parallèlement au flux d’eau. Le niveau dans le chenal est maintenu constant quel que soit le débit d’entrée grâce à une porte à balancier.
Les caractéristiques des lampes UV utilisées figurent dans le tableau II. Les lampes sont insérées dans des gaines de quartz servant à la protection mécanique et à l’étanchéité. Ces gaines s’encrassent progressivement par dépôt sur leur surface de composés inorganiques, ce qui gêne le passage des rayons UV et limite l’efficacité germicide de l’installation. Les gaines doivent alors être nettoyées périodiquement, ce qui s’effectue en plongeant les modules dans un bac de nettoyage réservé à cet effet, rempli d’une solution d’acide orthophosphorique à 5 %. À Le Portel, chaque opération de nettoyage mobilise deux personnes pendant 2 h 30. Durant le suivi (du 1er juin au 3 octobre), trois nettoyages ont été réalisés. Notons que le chenal et les montants supportant les lampes sont aussi susceptibles de s’encrasser lors d’éventuelles fuites de boues ou d’algues depuis les clarificateurs. Le nettoyage s’effectue alors rapidement, au jet d’eau sous pression.
Tableau IV
Charge bactérienne avant UV.
| Éléments | Esch. coli (/100 ml) | Strep. fécaux (/100 ml) |
|---|---|---|
| Moyenne | 6,55 × 10⁴ | 2,34 × 10⁴ |
| min | 4,76 × 10³ | 1,20 × 10³ |
| max | 5,49 × 10⁵ | 2,31 × 10⁵ |
| nombre d’éch. | 54 | 55 |
Tableau V
Résultats de la désinfection UV (1 juin au 3 octobre). % éch < 100 : % d’échantillons dont la concentration est < 100 germes/100 ml.
| Éléments | Escherichia coli | Streptocoques fécaux | ||
|---|---|---|---|---|
| Résiduel (/100 ml) | Abattement (u.log) | Résiduel (/100 ml) | Abattement (u.log) | |
| Moy. géom. | 43 | 3,2 | 42 | 2,8 |
| min | 9 | 9 | ||
| max | 1770 | 4,4 | 1350 | 4,1 |
| % éch < 100 | 66 | 76 | ||
| % éch < 200 | 79 | 83 | ||
| % éch < 1000 | 97 | 98 | ||
| % éch < 2000 | 100 | 100 | ||
| nombre d’éch. | 58 | 57 | 58 | 58 |
Une centrale de commande permet à l’exploitant de vérifier le bon fonctionnement de l’installation. Elle reçoit toutes les informations relatives au système par l’intermédiaire d’une centrale de distribution d’énergie. On peut ainsi très facilement connaître l’état du système (nombre de blocs et de modules allumés, intensité UV lue par les sondes de détection, temps de fonctionnement de chaque bloc), repérer et gérer les éventuels défauts de fonctionnement (regroupés sous le terme d’alarmes), visualiser et modifier l’état de chaque bloc et de chaque module.
Le fonctionnement de l’installation UV est asservi au débit de sortie de la station ; lorsque le débit est inférieur à la moitié du débit nominal (210 m³/h), un seul bloc de lampes suffit à délivrer la dose UV nécessaire au maintien des garanties de désinfection. Un système de temporisation permet de limiter le nombre de commutations des blocs en cas de variations fréquentes du débit.
Méthodologie appliquée pour assurer le suivi des performances de l’installation
Le présent document concerne la période du 1ᵉʳ juin au 3 octobre 1994, durant laquelle l’étude a consisté en une surveillance intensive, d’une part de la qualité physico-chimique de l’effluent et, d’autre part, de sa qualité bactériologique avant et après passage aux UV.
De manière générale, l’échantillonnage a eu lieu quatre fois par semaine (une fois par jour, sauf le vendredi). Pour les analyses bactériologiques, deux échantillons de 500 ml d’effluent ont été pris, le premier se situant après la porte à balancier pour l’aval de la désinfection, le second dans le canal de comptage pour l’amont de la désinfection. Les Escherichia coli et les streptocoques fécaux ont été dénombrés par ensemencement sur microplaque Pasteur. Cette méthode, développée par l’Institut Pasteur, a été choisie du fait qu’elle est utilisée par la DDASS du Pas-de-Calais et le Service Maritime de Boulogne et Calais (SMBC) pour leurs contrôles de la qualité des plages. Les résultats ont été lus par fluorescence sous lampe UV après une incubation d’au moins 36 h à 44 °C.
Parallèlement à chaque prélèvement microbiologique, une analyse de la physico-chimie de l’effluent a été réalisée, portant sur la mesure de la transmission UV à 254 nm sur cuve de quartz de 1 cm (spectrophotomètre P254UV), de la turbidité (Ratio/XR Hach), des MES (norme AFNOR NFT 90-105), de la DCO (norme AFNOR NFT 90-101) et de la couleur (spectrophotomètre, lecture à 455 nm).
Enfin, en même temps que les prélèvements, les informations suivantes ont été relevées : débit de passage instantané, temps de fonctionnement des lampes, les lampes ou les modules défaillants.
Les résultats
Qualité de l’effluent
Les caractéristiques physico-chimiques et bactériologiques moyennes de l’effluent épuré en amont des UV sont présentées sur les tableaux III et IV. Globalement, l’effluent a respecté les normes de rejet (tableau III), ce qui est satisfaisant pour une station en montée en puissance ; en particulier, la DCO moyenne a été de 45 mg O₂/l, avec un maximum de 105 mg O₂/l. La transmission UV moyenne a été de 49 %, avec une variation importante (entre 35 et 63 %). La couleur a été assez prononcée, avec des valeurs parfois supérieures à 200 mg Pt Co/l.
Durant les premiers jours de mise en route, la qualité de l’effluent a été peu satisfaisante, surtout en ce qui concerne le % de transmission UV (valeurs < 40 %). La qualité s’est par la suite améliorée, jusqu’au 4 juillet (figure 1). À cette période, de violents orages se sont abattus sur Le Portel. La station a connu plusieurs arrêts d’alimentation électrique, qui ont conduit à une baisse de qualité (augmentation de la turbidité et baisse du % de transmission UV). Une qualité satisfaisante a été retrouvée à la mi-juillet et s’est maintenue jusqu’à la fin des opérations, avec une progression notable à partir de la mi-août lors de l’atteinte par la STEP d’un fonctionnement de croisière. À la fin du suivi, l’effluent était de belle qualité, avec une bonne transmission UV (> 55 %) et de faibles
valeurs en DCO et MES (respectivement 55 mgO₂/l et 7 mg/l).
Les concentrations en Escherichia coli et streptocoques fécaux en amont UV ont été relativement faibles, en moyenne de 4 u.log (tableau 4). La charge en streptocoques a généralement été inférieure à celle en E. coli, mais la différence a été inférieure à 1 u.log. Au cours de l’été, la charge bactérienne a varié de 2 u.log (figure 2) pour E. coli, mais cette variation n’a été en relation ni avec les incidents survenus dans la station, ni avec la pluviométrie.
Performances de la désinfection
Les résiduels bactériens moyens obtenus après UV n'ont pas dépassé 43 Escherichia coli et 42 streptocoques fécaux / 100 ml (tableau V), pour des abattements correspondants de 3,2 et 2,8 u.log. Seuls deux échantillons sur les 58 analysés ont montré une concentration en E. coli > 1 000/100 ml après UV, les résiduels maximum ont été de 1 770 E. coli et 1 350 Strepto. fécaux / 100 ml. Les garanties de désinfection ont donc toujours été respectées.
Du 1ᵉʳ juin au 4 juillet, l’efficacité de la désinfection s'est révélée très bonne (figures 3 et 4), malgré une transmission UV faible ou moyenne. Le résiduel bactérien durant cette période a toujours été < 100 germes/100 ml, en raison d’un très faible encrassement des gaines de quartz. Entre le 4 et le 18 juillet, parallèlement à la baisse de qualité de l’effluent, le résiduel bactérien a légèrement augmenté. Un premier nettoyage des gaines a eu lieu le 19 juillet, soit après plus d’1,5 mois de fonctionnement.
Du 18 juillet au 2 août, l’installation UV a subi un certain nombre d’interventions techniques, ce qui explique la relative variabilité des résiduels bactériens durant cette période. Un lavage “expérimental” a eu lieu le 2 août. L’efficacité s’est globalement améliorée par la suite, à l'exception du 5 et du 17 août où la transmission UV était très faible (41 et 39 %). Les gaines de quartz ont été relavées le 13 septembre, après 1,5 mois. Le 3 octobre, des résiduels très faibles (10 E. coli et 29 Strepto. fécaux/100 ml) étaient encore rencontrés.
Intégration du débit dans la mesure de l’efficacité de la désinfection
Les figures 3 et 4 présentent les résultats bruts de la désinfection. Or, la personne qui réalise les prélèvements
n’est évidemment pas maître du débit de passage dans l’installation, lors de l’échantillonnage. Ainsi, certains prélèvements ont-ils été effectués à 230 m³/h avec deux blocs allumés, alors que d’autres étaient réalisés à 400 m³/h. En désinfection UV, l’inactivation des micro-organismes est fonction de la dose UV qu’ils reçoivent, elle-même fonction du temps de séjour de l’effluent dans la zone irradiée. Il est donc nécessaire, pour vérifier l’efficacité d’un procédé au cours du temps, de comparer des résultats de désinfection pris à dose UV comparable. Pour cela, un indicateur artificiel a été introduit. Il s’agit du résiduel bactérien après UV rapporté au débit. Il s’exprime en nombre de germes/100 ml/(m³/h).
La figure 5 montre, pour E. coli, l’évolution de cet indicateur au cours du temps, parallèlement à l’évolution de la transmission UV de l’effluent. Jusqu’au début juillet, l’indicateur est très faible. La baisse de transmission enregistrée ensuite provoque son augmentation. À partir du 19 juillet et jusqu’au 2 août, les résultats sont variables, en raison d’interventions techniques sur l’installation UV. Après le 2 août, l'indicateur est faible, excepté les 5 et 17 août, mauvais résultats imputables à une mauvaise qualité d’effluent (transmissions UV de 41 et 39 %). À la fin du suivi, une très bonne efficacité est observée.
Conclusion
Au Portel, le rejet de la station d’épuration s’effectue à proximité de la plage. Sur un tel site, la désinfection des eaux usées épurées permet, en complément à un traitement global de dépollution (notamment le raccordement des rejets parasites au réseau), de maintenir ou d’améliorer la qualité du milieu récepteur, donc la qualité de vie des riverains et autres vacanciers. Par ailleurs, la station d’épuration est située à proximité immédiate d’un camping : désinfecter les effluents sans l'aide de produits chimiques, et donc éviter le transport, le stockage et la manipulation de tels produits, ne peut que rassurer les riverains.
Utilisé en désinfection des eaux résiduaires aux USA et au Canada depuis plus de dix ans, le procédé UV n’en est qu’à ses débuts en France : l’installation mise en place au Portel y est la première à fonctionner à l'échelle industrielle. Sur le site, les UV ont permis une désinfection efficace et sûre, même avec une station d’épuration en phase de mise en route et une qualité d’effluent parfois assez faible, ce qui prouve que les UV basse pression en chenal ouvert constituent un procédé très performant.
Remerciements
Les auteurs souhaitent remercier tout particulièrement l’Agence de l’Eau Artois-Picardie pour le soutien financier qu'elle a apporté à cette étude.
