thumb|Station d'épuration des eaux à Aguas Corrientes, en Uruguay.
L’épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l'eau soit pour réutiliser ou recycler les eaux usées dans le milieu naturel, soit pour transformer les eaux naturelles en eau potable.
Histoire de l'épuration « intensive » des eaux La fin du marque l'essor des réseaux d'égouttage et d'assainissement en France (courant hygiéniste, rénovation de Paris du baron Haussmann). Il s'agit d'éloigner les eaux usées des habitations et des lieux de vie. Très vite se pose le problème du devenir de ces eaux usées. . Avec les travaux de Pasteur, les connaissances en microbiologie se développent. Le rôle des microorganismes dans la dégradation de la matière organique est mis en évidence.
. L'oxygène permet à la fois d'activer le travail des bactéries et de favoriser leur multiplication. Le principe des boues activées est né. Des brevets sont déposés et mis en œuvre aux États-Unis et en Grande-Bretagne. En France, la première station d'épuration est celle d'Achères (aujourd'hui Seine Aval), mise en service en 1940. Il faut cependant attendre 1960 pour que commence l'essor des stations d'épuration à boues activées pour les villes, puis dans les zones rurales. Quant aux procédés physico-chimiques, leur utilisation en France coïncide avec le développement des stations de sport d'hiver au début des . .
Le traitement des eaux usées conduit aujourd'hui à des produits finaux (boues d'épuration) qui ne peuvent pas être réduits ou éliminés par des changements de processus à la source. L'élimination des boues par épandage agricole peut éventuellement permettre de tirer avantage de leur propriété fertilisante. Les problèmes d'évacuation des eaux usées et des boues ont été exacerbés depuis le par le détournement des déchets industriels aqueux vers les installations de traitement utilisées pour les eaux usées domestiques, ce qui, bien que permettant un traitement efficace de leurs composants dégradables, augmente la contamination des eaux usées par des matières non biodégradables et/ou toxiques.
Techniques
Il existe trois techniques principales pour épurer les eaux, s'appliquant tant au traitement des eaux usées qu'à la production d'eau potable : les procédés physico-chimiques, essentiellement réservés à la production d'eau potable ; les procédés biologiques ; les procédés chimiques, qui se basent sur l'oxydation des composés. Ils sont très efficaces mais également onéreux. Les produits les plus utilisés sont l'ozone et des composés chlorés.
Entre 1997 et 2016, de nombreuses avancées en recherche et développement ont été nécessaires pour faire face à la complexité croissante de la pollution, quelle qu’en soit sa source. Les nouveaux engrais mis sur le marché, ainsi que la prise de conscience et l’identification de nouvelles sources de pollutions industrielles ou pharmaceutiques, tels que les résidus de médicaments actifs rejetés par les individusPollutions d'origine pharmaceutique, sur infos-eau.blogspot.com., posent de nouveaux défis technologiques à l’épuration.
Filières biologiques thumb|Schéma de principe. Les procédés biologiques sont utilisés pour le traitement secondaire des eaux résiduaires urbaines et industrielles. Dans leur configuration de base, ils sont essentiellement employés pour l’élimination des composés carbonés présents sous forme soluble tels que sucres, graisses, protéines, pour lesquels les solutions par voie physico-chimique sont souvent peu efficaces, coûteuses ou difficiles à mettre en œuvre. Ceux-ci sont nocifs pour l'environnement puisque leur dégradation implique la consommation de l'oxygène dissous dans l'eau nécessaire à la survie des animaux aquatiques. Le but des traitements biologiques est d’éliminer la pollution organique soluble au moyen de microorganismes, bactéries principalement. Les microorganismes hétérotrophes, qui utilisent la matière organique comme source de carbone et d’énergie, ont une double action : la matière organique est en partie éliminée sous forme gazeuse lors de la minéralisation du carbone avec production de dans les procédés aérobies et de biogaz ( + ) dans les procédés anaérobies ; une autre partie est transformée en particules solides constituées de microorganismes issus de la multiplication bactérienne. Ces particules peuvent être facilement séparées de la phase liquide par des moyens physicochimiques tels que la décantation par exemple.
Si nécessaire, la transformation des ions ammonium () en nitrate () ou nitrification peut être réalisée simultanément.
Ces procédés peuvent aussi permettre d’éliminer l’azote et le phosphore par voie biologique moyennant la mise en œuvre d’étapes supplémentaires dans la filière de traitement : mise en place d’un bassin d’anoxie, d’un bassin d’anaérobie.
Les différents procédés utilisés peuvent être classés en fonction des conditions d’aération et de mise en œuvre des micro-organismes. Ainsi, on distingue différents procédés : aérobies à cultures libres (boues activées) ou à cultures fixées (lit bactérien) ; anaérobies à cultures libres ou à cultures fixées.
La charge en polluants organiques est mesurée communément par la demande biochimique en oxygène sur cinq jours (DBO5) ou la demande chimique en oxygène (DCO).
Traitement aérobie
thumb|Traitement biologique avec apport artificiel d'oxygène par diffusion de microbulles.
Les filières biologiques aérobies font appel aux micro-organismes présents dans le milieu naturel pour dégrader la pollution. Elles s'inspirent des propriétés d'épuration des sols (filtres plantés de roseaux ou phytoépuration, filtres à sable ou gravier) ou des rivières (lagunage, boues activées). L'apport d'oxygène peut être naturel (le vent ou système de cascade) dans les petites installations de lagunage, ou artificiel (turbine ou diffusion de microbulles) dans les stations d'épuration de type « boues activées ».
Les bactéries peuvent être libres (boue activée, lagunage) ou fixées (lit bactérien, filtres plantés, filtres à sable, biofiltre) ou encore biodisques.
Traitement anaérobie
Cette zone permet une auto oxydation. Cela oblige les microorganismes à puiser l’énergie dans leurs réserves pour leur activité et reproduction : c’est ce qu’on appelle la « respiration endogène ». On obtient ainsi la transformation des produits azotés (en azote ammoniacal) et carbonés.
Élimination de l'azote Si les réacteurs biologiques permettent un temps de contact suffisant entre les effluents et les bactéries, il est possible d’atteindre un second degré de traitement : la nitrification. Il s’agit de l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite, puis en nitrate par des bactéries nitrifiantes. L’ammoniac est toxique pour la faune piscicole et il entraîne une forte consommation d'oxygène dans le milieu récepteur. Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes (elles fixent elles-mêmes le carbone nécessaire à leur croissance dans le dissous dans l'eau). Elles croissent donc beaucoup plus lentement que les hétérotrophes. Une station d'épuration communale doit d’abord éliminer les composés organiques avant de pouvoir nitrifier.
Une troisième étape consiste à dénitrifier les nitrates résultants de la nitrification. Pour cela, plusieurs techniques existent : soit la dénitrification est effectuée dans le bassin d'aération lors de la phase d'arrêt des turbines, soit une partie de l’eau chargée de nitrates de la fin de traitement biologique est pompée et mélangée à l’eau d’entrée, en tête de traitement. La dénitrification se passe alors dans un réacteur anoxique, en présence de composés organiques et de nitrate. Le nitrate est réduit en azote moléculaire () qui s’échappe dans l’air sous forme de bulles, éliminées dans le dégazeur dans le cas de dénitrification dans le bassin d'aération. Les nitrates en excès sont des polluants qui sont à l’origine de l’envahissement d’algues dans certaines mers, en particulier la Mer du Nord.
Filières physicochimiques Les filières physicochimiques utilisent des moyens physiques (décantation, flottation, filtres et membranes) et/ou des produits chimiques, notamment des coagulants (chlorure ferrique, sulfate d'aluminium…) et des floculants. On les utilise pour certains effluents industriels (toxiques) ou lorsque l'on doit gérer des variations rapides des flux à traiter (cas des stations d'épuration de communes touristiques, ou lorsqu'avec un réseau unitaire on veut faire face à l'arrivée d'eau de pluie).
, les membranes de microfiltration, ultrafiltration et nanofiltration sont surtout utilisées pour la potabilisation de l'eau.
Dans les installations complexes devant traiter plusieurs paramètres, on peut rencontrer les deux filières simultanément.
Classiquement une station d'épuration urbaine à boues activées comprend les étapes suivantes : prétraitement : dégrillage, dessablage, déshuilage ; traitement primaire : simple décantation avec récupération des boues et écrémage des flottants ; traitement secondaire : aération et brassage, décantation secondaire (dite aussi clarification). À partir de ce dernier élément, l'eau clarifiée est rejetée (sauf traitement tertiaire) et les boues décantées sont renvoyées en plus grande partie vers le bassin d'aération, la partie excédentaire étant dirigée vers un circuit ou un stockage spécifique ; éventuellement traitement tertiaire de coagulation-floculation ou de désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes).
Le traitement secondaire peut comporter des phases d'anoxie (ou une partie séparée en anoxie) qui permet de dégrader les nitrates.
Ces étapes se divisent en trois menus qui sont : le prétraitement ; le biologique (traitement primaire + traitement secondaire) ; le traitement des boues.
Les filières de traitement de l'eau peuvent comporter une étape finale, dite « traitement tertiaire », incluant un ou plusieurs des processus suivants : désinfection par le chlore ou l'ozone (pour éliminer les germes pathogènes) ; les métaux en solution dans l'eau peuvent être neutralisés : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants.
Mais chaque étape génère des sous-produits qu'il faut également éliminer : déchets grossiers, sables et surtout les boues constituées, entre autres, de bactéries mortes.
En parallèle du circuit de traitement de l'eau, les usines de dépollution comportent également une chaîne de traitement des boues. Le but du traitement des boues est de stabiliser ces boues (les rendre inertes) par un moyen qui peut être physicochimique avec par exemple de la chaux, ou biologique en laissant séjourner la boue dans des digesteurs (réacteur chauffé et brassé pour permettre une digestion anaérobie)..
Le traitement comprend ensuite des ouvrages de décantation (on parle alors d'épaississement), de stockage et de déshydratation (presse, filtre-presse, centrifugeuse), voire de séchage, la valorisation en biogaz, ou même d'incinération. Les métaux en solution dans l'eau peuvent être neutralisés : en faisant varier le pH de l'eau dans certaines plages, on obtient une décantation de ces polluants.
La digestion des boues produit du méthane (), qui, lorsqu'il est produit en assez grande quantité, est utilisé comme énergie : production électrique, chaudière ou injection dans le réseau de gaz naturel, et de l'hydrogène sulfuré (), qui peut provoquer des asphyxies en milieu confiné.