Filtration tertiaire pour le traitement des eaux usées : vue d’ensemble, réglementations, technologies

La filtration tertiaire, ou filtration finale, est un ensemble de procédés et de technologies qui font partie de l’ensemble plus vaste des traitements tertiaires des eaux usées. Un seul objectif : permettre aux épurateurs civils et aux industries de transformation d’obtenir une eau de très haute qualité, capable de répondre aux réglementations nationales et supranationales les plus strictes en matière de rejet dans les masses d’eau de surface et de réutilisation dans des applications civiles, agricoles et industrielles.

Quels sont ces procédés et quelles sont les technologies de pointe ? Clarifions tout de suite les choses.

1. Filtration tertiaire : vue d'ensemble

La filtration tertiaire des eaux usées est un processus de traitement avancé qui vise à éliminer les particules solides en suspension (total des solides en suspension) et éventuellement les nutriments encore présents dans l’eau après les traitements primaire et secondaire.

L’objectif principal du processus est le rejet de la ressource traitée dans les masses d’eau de surface, telles que les rivières et les lacs, conformément aux réglementations nationales et internationales en vigueur. En outre, le processus de filtration tertiaire est de plus en plus reconnu comme un outil utile pour la réutilisation de l’eau purifiée dans l’agriculture, l’industrie ou l’usage municipale : un besoin qui devient de plus en plus évident, compte tenu de la rareté croissante de cette ressource et des problèmes considérables associés à sa gestion.

2. Traitement primaire, secondaire et tertiaire : comment la filtration s'intègre dans le traitement des eaux usées

Pour mieux comprendre la place des technologies de filtration tertiaire dans une station d’épuration, examinons la différence entre les traitements primaire, secondaire et tertiaire des eaux usées.

• Les traitements primaires se concentrent sur l’élimination des solides en suspension les plus grossiers par des processus physiques, tels que la sédimentation ou le filtrage.
• Les traitements secondaires se concentrent sur l’élimination des contaminants organiques et des nutriments. Ce type de traitement implique l’utilisation de processus biologiques tels que la nitrification/dénitrification.
• Les traitements tertiaires constituent la dernière étape de l’épuration des eaux usées : à ce stade, les solides en suspension restants sont séparés, jusqu’à ce que des concentrations de 5 à 10 mg/L, les composants résiduels de phosphore et d’azote et la charge microbienne soient obtenus au niveau de la décharge. Ce type de traitement implique l’utilisation de technologies avancées de filtration, d’adsorption et de désinfection.

La filtration tertiaire est un processus spécifique au sein du lit de traitement tertiaire : il s’agit de l’utilisation d’un milieu filtrant pour la séparation finale des solides en suspension. Cependant, il faut savoir que ces étapes ne se rencontrent que fréquemment dans les épurateurs civils. Dans le secteur industriel, en revanche, on observe une grande variabilité des besoins en eau et en installations et une combinaison différente de traitements peut donc s’avérer nécessaire : dans ce contexte, il est préférable de parler de filtration finale.

Enfin, en raison de sa fonction de « finition » des eaux usées, précédant uniquement la désinfection, les processus qui portent ce nom sont également appelés « traitement avancé des eaux usées« .

3. Qualité des effluents en filtration tertiaire : chiffres et réglementations

La qualité des effluents des systèmes de filtration tertiaire dépend du type de technologie de filtration utilisée, mais en général, ces systèmes sont capables de produire une eau purifiée de haute qualité avec de faibles concentrations de solides en suspension et d’autres contaminants.

Les systèmes de filtration tertiaire sont capables d’éliminer la plupart des solides en suspension. En outre, les quantités de nutriments tels que le phosphore et l’azote sont également réduites de manière significative.

En général, les effluents des systèmes de filtration tertiaire sont capables de répondre aux critères fixés par la directive européenne 2020/2184 : 10 mg/L de matières en suspension totales au moment du rejet.

4. Types de filtration tertiaire

Comme pour les autres étapes du traitement des eaux usées, la filtration tertiaire (ou filtration finale) fait appel à un grand nombre de procédés et de technologies qui peuvent répondre aux besoins des eaux urbaines et industrielles.

La littérature reconnaît trois principaux procédés de filtration tertiaire : pensez à la discussion dans Metcalf & Eddy Wastewater Engineering. Treatment and Reuse.

• Filtration de surface. Le traitement s’effectue sur un support filtrant par le biais d’un processus de tamisage, c’est-à-dire en deux dimensions (comme dans le cas des filtres à micro-mailles).
• Filtration en profondeur ou en volume. Dans ce cas, les substances en suspension traversent un lit filtrant composé de matériaux granulaires (comme dans les filtres à sable) ou compressibles (comme dans les filtres en tissu à fibres libres). Il y a trois « dimensions » au lieu de deux sur lesquelles la filtration peut se développer : c’est pourquoi il s’agit d’un processus beaucoup plus efficace avec le même dimensionnement des machines utilisées.
• Filtration sur membrane. Dans ce type de filtration, les eaux usées passent sous pression à travers une fine membrane. Celle-ci est constituée de fibres creuses ou de feuilles de matériau composite (enroulées en spirale). Il s’agit d’un processus de tamisage, comme dans le cas de la filtration de surface.

5. L'utilité de la filtration tertiaire

Nous avons vu que la filtration tertiaire de l’eau produit une eau de haute qualité adaptée à diverses applications. Les principales utilités de la filtration tertiaire des eaux usées sont les suivantes :

• La nécessité d’éliminer le total des solides en suspension à des niveaux avancés, afin d’améliorer l’efficacité des processus en aval tels que la désinfection (en évitant l’encrassement excessif des lampes UV).
• La réduction de l’impact environnemental des activités humaines sur les ressources en eau et la réduction de la pression sur les ressources naturelles en eau, en limitant également les phénomènes d’eutrophisation par l’élimination des nutriments de l’eau (azote et phosphore).
• Le respect des réglementations environnementales nationales et internationales, qui imposent des limites d’émission pour certains paramètres chimiques, physiques et biologiques des eaux usées.
• La réutilisation de l’eau traitée à des fins non potables, tant civiles qu’industrielles. Il s’agit par exemple de l’irrigation agricole, du lavage des routes et des véhicules, de la production d’électricité et de l’alimentation en eau de traitement et de refroidissement.

6. Solutions de filtration tertiaire

Il existe plusieurs solutions techniques pour la filtration tertiaire. Voici quelques-unes des plus efficaces :

• Filtres à sable : ces solutions utilisent une couche de sable pour éliminer les particules solides en suspension. L’eau passe à travers la couche de sable, qui retient les solides en suspension, avant d’être rejetée.
• Filtres en tissu à micro-maille : dans ces systèmes, le média filtrant est un tissu avec des fils de longueur fixe. Il s’agit d’une application classique de filtration de surface.
• Filtres en tissu à fibres libres (pile) : le média filtrant est constitué de longs filaments décomposés, qui effectuent une filtration en profondeur similaire à celle des filtres à sable (sur des volumes plus petits). Les travaux accessoires sont limités, la consommation d’énergie est minime et le lavage à contre-courant des toiles est limité.
• Filtres à membrane : ils utilisent des membranes de différentes tailles de pores pour éliminer les contaminants présents dans l’eau. L’eau passe à travers les membranes, qui retiennent les solides en suspension et d’autres substances indésirables, avant d’être rejetée.

7. Avantages techniques et applications de la filtration tertiaire

Au fil des ans, diverses applications des procédés et technologies de filtration tertiaire ont été expérimentées. En voici quelques exemples :

• traitement tertiaire des eaux usées municipales,
• l’industrie alimentaire,
• l’industrie des matières plastiques,
• industries chimiques et pharmaceutiques,
• papeteries, tanneries, industries textiles,
• le secteur du pétrole et du gaz.