Les eaux résiduaires industrielles (ERI) sont des liquides de composition hétérogène, chargés de matières minérales ou organiques, pouvant être en solution ou en suspension, et dont certaines peuvent avoir un caractère toxique.

En fonction des caractéristiques physico-chimiques des effluents à traiter et du degré d'épuration visé, on est conduit à concevoir différentes chaînes de traitement de l'eau et des boues.

On peut considérer, d'une manière générale, que l'épuration amènera toujours à mettre en oeuvre :

• des procédés de séparation et d'élimination des matières en suspension ;
• des procédés d'élimination des matières en solution, dont une certaine proportion pourra être convertie en matières en suspension et éliminée avec ces dernières.

Principales filières de traitement des eaux résiduaires industrielles

Il convient tout d'abord de faire la distinction entre les traitements séparés d'effluents particuliers réalisés en interne au sein de l'usine et les traitements en installation centralisée qui assurent l'épuration de l'ensemble des rejets de l'usine regroupés au niveau d'un collecteur général.

L'épuration séparée d'effluents d'ateliers particuliers peut se justifier :

• soit par une valorisation de sous-produits (flottation des matières grasses des abattoirs, récupération des fibres en papeteries, etc.) ;
• soit par un moindre coût de l'épuration des effluents concentrés (par exemple désulfuration des soudes usées de raffinage) ;
• soit par une détoxication (éléments métalliques, sulfures, solvants, etc.) nécessaire avant épuration biologique ;
• soit encore en vue de l'optimisation d'un traitement biologique (méthanisation préliminaire d'effluents concentrés dans l'industrie agroalimentaire).

D'une manière générale, une installation de traitement centralisée des rejets industriels comporte classiquement la succession des stades de traitement suivants :

• traitements préliminaires ;
• traitements physico-chimiques ;
• traitements biologiques ;
• traitements tertiaires ou de finition.

Traitements préliminaires

Les conditions de prétraitement des effluents généraux d'usine sont très variées et liées au type d'activité industrielle :

• la rétention par dégrillage automatique et tamisage des matières volumineuses susceptibles de gêner les étapes ultérieures du traitement est souhaitable dans la plupart des industries et impérative dans certaines (industries agroalimentaires ou papeteries) ;
• l'opération de dessablage assurant l'élimination des particules grossières et de forte densité par décantation, n'est réalisée que dans quelques industries (aciéries, laminoirs, fonderies, sucreries, sablières) et sur certaines eaux pluviales.
• l'élimination des produits insolubles de faible densité (huiles, graisses hydrocarbures) réalisée généralement par flottation peut s'avérer intéressante pour le dégraissage d'effluents d'industries agroalimentaires (IAA) et de laminage à froid et aussi pour le déshuilage des rejets provenant des circuits de graissage ou de stockage de combustibles et parfois de diverses fabrications, en particulier en pétrochimie ;
• la neutralisation qui a pour objet de rectifier le pH d'effluents trop acides ou trop alcalins, quand elle n'est pas incluse dans le traitement physico-chimique, peut s'avérer indispensable avant épuration biologique ;
• pour bon nombre de rejets industriels, il est souvent souhaitable d'assurer leur homogénéisation de composition au niveau d'un bassin tampon de tête, ce qui permet d'écrêter les variations du débit hydraulique et d'assurer si nécessaire une préneutralisation ;
• enfin, le refroidissement est quelquefois nécessaire pour protéger une épuration biologique ou satisfaire les normes de rejet, c'est le cas en cokerie, pétrochimie, chimie et dans l'industrie des pâtes et papiers.

Traitement physico-chimiques

Ces traitements assurent la séparation physique des insolubles solides (matières en suspension et précipités) et liquides (substances huileuses à l'état libre ou en émulsion, hydrocarbures...) de l'eau avec pour objectif une clarification plus ou moins poussée des rejets.

Les matières en suspension que l'on peut habituellement éliminer par décantation font classiquement l'objet du traitement primaire.

Une clarification globale des rejets nécessite l'élimination complète de la pollution colloïdale et finement dispersée, qui ne peut être obtenue que moyennant l'utilisation de réactifs chimiques lors d'un traitement physico-chimique qui implique la mise en œuvre d'une coagulation-floculation en amont d'une séparation solideliquide.

Ce traitement peut, suivant les cas, constituer un stade intermédiaire ou un stade final du traitement. Il a une ou plusieurs fins :

• précipitation des métaux et des sels toxiques ou indésirables (fluorures F-, sulfates, phosphates, etc.) ;
• élimination des huiles et hydrocarbures de bon nombre de rejets industriels par exemple des raffineries, laminoirs etc. ;
• clarification poussée avec séparation totale de la pollution particulaire colloïdale ce qui se traduit généralement par une réduction concomitante de la DBO₅ et DCO des rejets correspondants que l'on peut attribuer aux substances organiques ainsi éliminées.

Le traitement physico-chimique suppose le maintien du pH dans une zone assez étroite. Suivant les caractéristiques générales des effluents industriels à traiter et la nature du processus industriel amont (précipitation, cristallisation, coagulation ou floculation) mis en oeuvre, la séparation des insolubles peut être réalisée par voie gravitaire (décantation) ou en sens inverse (flottation).

Selon la rapidité de la séparation visée, on utilise différents types d'ouvrages de clarification :

- en décantation : les décanteurs statiques raclés, les décanteurs à recirculation de boues, les décanteurs lamellaires ;

- en flottation : essentiellement la technologie d'aéroflottation et plus rarement d'électroflottation.

L'optimisation du procédé d'épuration et les nouvelles contraintes d'encombrement s'avèrent les paramètres de choix essentiels. Pour certaines applications industrielles, la réutilisation de l'eau traitée clarifiée (par l'intermédiaire d'un recyclage) implique une filtration sur sable complémentaire.

À noter que selon les circonstances, l'épuration physico-chimique peut être simultanée à d'autres processus comme la neutralisation des rejets, l'oxydation (sulfures, fer ferreux...) et la réduction (chromates) de certains composés. Ces processus mettent en jeu des automates de régulation du pH ou du potentiel rédox.

Par ailleurs, pour éliminer de certains rejets industriels (pétrochimie, cokerie, fabrication de cellulose), les produits soufrés, azotés et les composés organiques volatils, on réalise leur stripping, c'est-à-dire leur entraînement par un gaz vecteur (air ou vapeur d'eau) en faisant ruisseler à contre-courant l'eau à traiter dans des tours remplies de matériaux de contact.

Traitements biologiques

Ils constituent le mode classique d'épuration de la pollution organique des eaux résiduaires industrielles.

Les techniques d'épuration biologique reposent sur les conditions qui permettent aux flores bactériennes de se développer et d'assurer la dégradation des matières organiques polluantes, qui sont ainsi éliminées dans la mesure où elles servent d'aliments aux bactéries aérobies ou anaérobies.

Le recours à l'épuration biologique dépend évidemment étroitement de la biodégradabilité des rejets industriels.

Les procédés les plus couramment mis en œuvre pour la dépollution des rejets industriels sont du type aérobie (présence d'air ou d'oxygène), car la cinétique du processus s'avère beaucoup plus rapide et les rendements d'épuration plus élevés qu'avec les traitements biologiques anaérobies.

Dans les traitements biologiques aérobies, on distingue :

• les procédés aérobies utilisant une culture bactérienne libre en suspension dans l'eau à traiter (épuration par boues activées, lagunage naturel et aéré) ;
• les procédés aérobies utilisant une culture bactérienne fixée sur un support (épuration par lits bactériens, par biodisques ou par biofiltration).

Dans la conception des installations et le dimensionnement des différentes étapes du traitement biologique aérobie, il convient de tenir compte des particularités propres des eaux résiduaires industrielles (ERI) :

- les ERI, qui ont subi un traitement préalable physico-chimique, sont peu chargées en matières en suspension totales (MEST) et présentent, par suite, une pollution organique (DBO5, DCO) principalement soluble ;

- la composition des ERI en nutriments est rarement équilibrée. Une correction de la teneur en phosphore et/ou azote doit souvent être pratiquée ;

- les ERI renferment souvent (notamment dans l'industrie chimique) de fortes concentrations en sels minéraux dont les variations rapides peuvent perturber le bon fonctionnement de l'épuration biologique ;

- une attention particulière doit être apportée au maintien du pH et de la température à des valeurs constantes ;

- les polluants organiques des ERI présentent des biodégradabilités et des taux de biodégradation très variables. Certaines matières organiques sont dégradées rapidement, d'autres plus lentement, enfin certaines ne le sont pas ou peu et participent ainsi à la DCO « dure » de l'eau traitée. D'une manière générale, la stabilité et l'efficacité de l'épuration biologique des ERI comparées à celles des ERU (eaux résiduaires urbaines) impliquent des cinétiques plus lentes des réactions de dégradation de la pollution, c'est-à-dire des temps de contact plus importants de l'effluent à traiter avec la biomasse épuratrice et par suite des âges de boues élevés;

- le démarrage des installations peut, par ailleurs, nécessiter des ensemencements appropriés et s'avère généralement beaucoup plus lent qu'avec des effluents urbains.

Notons que l'élimination de la pollution organique concentrée de certains rejets industriels biodégradables (en particulier dans l'industrie agroalimentaire) se fait, de plus en plus, par des procédés d'épuration anaérobie de méthanisation pouvant fonctionner avec une biomasse en suspension ou fixée sur un support.

Les traitements biologiques anaérobies, tout en assurant une élimination de la pollution organique carbonée de 70 à 85 %, présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux traitements biologiques aérobies :

• faible consommation d'énergie pour les besoins du procédé ;
• faible production de boues biologiques en excès (5 fois moins que pour un traitement aérobie) ;
• et surtout, récupération d'un biogaz (à 70 % de méthane) pouvant être utilisé industriellement comme source d'énergie. Pour plus de détails, on se reportera dans le présent traité aux articles spécialisés traitant de l'épuration biologique.

Traitements tertiaires ou de finition

Dans le vocabulaire courant de l'épuration, ce terme désigne un ou des traitements complémentaires permettant d'obtenir une qualité d'effluent supérieure à celle obtenue par les procédés physicochimique et biologique classiques.

Il s'agit d'affiner l'eau en poussant l'épuration le plus loin possible avec la possibilité de viser deux objectifs différents :

• l'amélioration des performances des paramètres classiques, à savoir les matières en suspension totale MEST par filtration sur sable par exemple la DBO5 et la DCO moyennant la mise en œuvre de procédés biologiques de finition par lagunage et biofiltration ou d'un traitement d'adsorption sur charbon actif (percolation sur des colonnes de charbon en grains) ;
• l'action spécifique sur des paramètres qui ne sont que peu ou pas touchés par les traitements classiques, par exemple :
  • élimination des éléments nutritifs (azote et phosphore) responsables de l'eutrophisation, par des traitements biologiques (nitrification et dénitrification de l'azote) ou physico-chimiques de finition (postprécipitation du phosphore),
  • réduction et limitation de la pollution bactérienne, par des procédés de désinfection utilisant des bactéricides (agents chlorants et ozone) ou des rayons UV,
  • élimination plus ou moins poussée de la DCO soluble non biodégradable et, plus particulièrement, de la coloration des ERI par des techniques d'oxydation diverses (utilisation de l'oxygène à haute température et sous pression, ozonation, action de l'eau oxygénée H₂O₂), des procédés d'adsorption (charbon actif), voire des techniques de séparation membranaire (ultrafiltration, osmose inverse...).