De la première usine de traitement des eaux usées au monde : un regard sur le développement de la technologie de traitement des eaux usées !

Préface : Le développement humain est un processus continu d’amélioration. Prenons par exemple le traitement des eaux usées. La première usine de traitement des eaux usées a été construite après avoir été témoin des dommages et des risques pour la santé liés au rejet aveugle des eaux usées, ce qui a conduit à son développement continu. L’histoire du traitement des eaux usées urbaines remonte à la Rome antique. À cette époque, l'environnement avait une grande capacité et la capacité d'auto-épuration des plans d'eau pouvait répondre aux besoins humains en eau ; les gens n’avaient qu’à penser au drainage. Plus tard, avec l’accélération de l’urbanisation, les eaux usées domestiques ont propagé des maladies infectieuses en transmettant des bactéries. Pour des raisons de santé, les humains ont commencé à traiter les eaux usées domestiques rejetées. Les premières méthodes de traitement utilisaient de la chaux, de l'alun, etc. pour la sédimentation, ou de la poudre décolorante pour la désinfection. À la fin de la dynastie Ming, mon pays disposait déjà de dispositifs de purification des eaux usées. En 1762, la Grande-Bretagne a commencé à utiliser de la chaux et des sels métalliques pour traiter les eaux usées urbaines. Aujourd'hui, nous allons principalement vulgariser les connaissances environnementales sous deux aspects : les méfaits de la pollution de l'environnement et le développement des stations d'épuration des eaux usées !

Examinons d'abord quelques-événements nocifs bien connus liés à la pollution de l'environnement. Entre les années 1930 et 1960, huit incidents majeurs de pollution de l'environnement ont choqué le monde : l'incident de smog de la vallée de la Meuse en Belgique, l'incident de smog de Donora aux États-Unis, l'incident de smog de Londres, l'incident de smog photochimique de Los Angeles aux États-Unis, l'incident de la maladie de Minamata au Japon, l'incident de la maladie de Toyama Itai-itai au Japon, l'incident de l'asthme de Yokkaichi au Japon et l'huile de son de riz japonaise. incident. Ces huit incidents majeurs de pollution de l’environnement font référence à huit événements importants et choquants causés par la pollution de l’environnement dans le monde.

L'incident du smog de la vallée de la Meuse (Belgique) : Du 1er au 5 décembre 1930, de grandes quantités de smog émises par 13 usines de la zone industrielle de la vallée de la Meuse en Belgique ont rempli l'air, provoquant des milliers de personnes dans la zone industrielle ressentant des douleurs thoraciques, de la toux, des larmoiements, des maux de gorge et des difficultés respiratoires. Plus de 60 personnes sont mortes en une semaine et de nombreux animaux ont également péri. Il s’agit du premier incident de pollution atmosphérique enregistré au XXe siècle.

L'incident du smog de Donora (États-Unis) : Du 26 au 31 octobre 1948, la ville de Donora, en Pennsylvanie, a connu un smog persistant. Cette zone était une concentration d'usines d'acide sulfurique, d'aciéries et de fonderies de zinc. Le smog émis par ces usines a été emprisonné dans la vallée, causant soudainement à 6 000 personnes un inconfort tel que des douleurs oculaires, des maux de gorge, un écoulement nasal, des maux de tête et une oppression thoracique ; 20 d’entre eux sont morts rapidement. Cet événement de smog était principalement causé par des substances toxiques et nocives telles que le dioxyde de soufre et les particules métalliques adhérant aux particules en suspension. Les gens ont inhalé de grandes quantités de ces gaz nocifs en peu de temps, provoquant une catastrophe majeure.

L'événement de smog de Londres (5-8 décembre 1952) : Une haute pression et un brouillard dense ont recouvert Londres, sans vent pendant plusieurs jours. Cela s'est produit pendant la haute saison de chauffage hivernale, lorsque la fumée de charbon, la poussière et l'humidité se sont accumulées dans l'atmosphère, provoquant des difficultés respiratoires et une irritation des yeux chez de nombreux habitants de la ville. Plus de 4 000 personnes sont mortes en seulement quatre jours. Au cours des deux mois suivants, 8 000 autres personnes sont mortes. Il s’agit du plus grand phénomène de smog urbain provoqué par la combustion du charbon au XXe siècle.

L'incident de la maladie de Minamata au Japon : à partir de 1949, la Japan Nitrogen Fertilizer Company, située dans la ville de Minamata, préfecture de Kumamoto, au Japon, a commencé à fabriquer du chlorure de vinyle et de l'acétate de vinyle. Étant donné que le processus de fabrication utilisait un catalyseur contenant du mercure (Hg), de grandes quantités de mercure ont été rejetées dans la baie de Minamata avec les eaux usées non traitées de l'usine. En 1954, une étrange maladie d'origine inconnue, appelée « maladie de Minamata », a commencé à apparaître dans la baie de Minamata. La maladie a touché les chats et les humains, avec des symptômes tels qu'une démarche instable, des convulsions, des déformations des mains et des pieds, des troubles neurologiques, une courbure du corps et des cris bruyants, conduisant finalement à la mort. Après près de dix ans d'analyses, les scientifiques ont confirmé que le mercure présent dans les eaux usées de l'usine était à l'origine de la « maladie de Minamata ». Le mercure est absorbé par les micro-organismes présents dans l’eau et transformé en méthylmercure (CH3)Hg dans l’organisme. Cette substance pénètre dans le corps des humains et des animaux par l'intermédiaire des poissons et des crevettes, endommageant le cerveau et d'autres parties du corps, provoquant une atrophie cérébrale, une perturbation du système d'équilibre du cervelet et d'autres effets nocifs ; c'est extrêmement toxique. Au Japon, des centaines de milliers de personnes ont consommé du poisson et des crevettes contaminés au méthylmercure provenant de la baie de Minamata.

...et ainsi de suite, nous ne les listerons pas tous ici !

Aujourd'hui, penchons-nous sur une station d'épuration des eaux usées plus ancienne que le procédé à boues activées, avec une histoire de 139 ans : la station d'épuration des eaux usées de Blackburn Meadows, construite en 1886 à Sheffield, une ville industrielle établie de longue date en Angleterre. Les stations d’épuration des eaux usées ont une histoire de plus de 100 ans.

Comme vous le savez probablement, le procédé à boues activées a été inventé en Grande-Bretagne au début du 20e siècle, et Edward Ardern et William Lockett sont considérés comme ses inventeurs, remontant à 1914. Cependant, le traitement des eaux usées en Grande-Bretagne a en réalité commencé environ 50 ans plus tôt que le procédé à boues activées : avec le développement industriel, la population britannique a commencé à croître rapidement et l'Angleterre est devenue l'un des pays où la pollution de l'eau est la plus grave. Les problèmes d’assainissement récurrents dans les villes britanniques ont conduit le célèbre scientifique Michael Faraday à enquêter personnellement sur l’état de la Tamise.

La pandémie de choléra de 1832 a coûté la vie à plus de 400 personnes à Sheffield. Par la suite, bien que le gouvernement local ait construit un système d'égouts, les entreprises ont continué à déverser leurs eaux usées et leurs déchets directement dans la rivière principale (rivière Don), rendant l'eau noire et nauséabonde-. C’est dans ce contexte que Sheffield a construit sa première station d’épuration des eaux usées en 1886.

L'installation initiale était assez simple. Conçu pour traiter 40 000 mètres cubes par jour, il ne fonctionnait que de jour. Les eaux usées étaient traitées à la chaux et les boues résultantes étaient utilisées comme engrais pour les fermes voisines. Néanmoins, pour l’époque, cette usine représentait une avancée significative, attirant la visite d’homologues et de responsables municipaux d’autres régions d’Angleterre.

Après son achèvement en 1886, l'usine a subi une rénovation en 1910. Auparavant, le conseil municipal de Sheffield avait envisagé de construire un pipeline pour rejeter les eaux usées directement dans la mer du Nord, mais a ensuite adopté une méthode innovante d'aération pour décomposer les polluants présents dans les eaux usées. Ils ont appelé cette technologie des « lits de bactéries ». Il est juste de dire que les Sheffielders ont fait quelque chose de vraiment grand pour l'humanité-s'ils avaient simplement déversé leurs eaux usées directement dans la mer, cela pourrait être une pratique courante aujourd'hui. Les Sheffielder ont établi une toute nouvelle référence pour les autres gouvernements et autorités chargées de l'eau -en utilisant des méthodes biologiques pour traiter les eaux usées. Notez la chronologie-qu'ils ont conçue pour utiliser des bactéries pour traiter les eaux usées en 1910, tandis que le-procédé à boues activées n'est apparu qu'en 1914.

Méthode du biofilm

Au milieu du-18e siècle, la révolution industrielle a commencé en Europe, l'élimination des matières organiques des eaux usées urbaines devenant une priorité majeure. En 1881, des scientifiques français ont inventé le premier bioréacteur et le premier bassin de traitement biologique anaérobie, l'étang Moris, marquant le début du traitement biologique des eaux usées. En 1893, le premier filtre biologique a été utilisé au Pays de Galles, en Angleterre, et s'est rapidement répandu en Europe et en Amérique du Nord. Les progrès technologiques ont stimulé l’élaboration de normes. En 1912, la Commission royale britannique sur la gestion des eaux usées a proposé d'utiliser la DBO5 pour évaluer le degré de pollution de l'eau.

Processus de boues activées

En 1914, Arden et Lokett ont publié un article sur le procédé à boues activées à l'Institution of Chemical Engineers (ICC) au Royaume-Uni et, la même année, ils ont créé la première usine pilote de traitement des eaux usées à boues activées au monde à Manchester, en Angleterre. Deux ans plus tard, la première station d’épuration des eaux usées à boues activées était officiellement créée aux États-Unis. La naissance du procédé à boues activées a jeté les bases de la technologie de traitement des eaux usées urbaines pour les 100 prochaines années.

À ses débuts, le processus de boues activées utilisait un processus de remplissage-et-de vidange (similaire au processus SBR). En raison de la technologie et de l'équipement de contrôle automatique relativement arriérés de l'époque, son fonctionnement était lourd et sujet au colmatage, n'offrant aucun avantage significatif par rapport aux filtres biologiques. Plus tard, le processus de boues activées à écoulement continu -à flux continu l'a rapidement remplacé. Cependant, étant donné que le taux de consommation d'oxygène des boues dans le réacteur à flux piston-varie le long de la longueur du réservoir, le taux d'alimentation en oxygène est difficile à égaler et le processus de boues activées est confronté au problème d'un apport insuffisant d'oxygène localisé. Le procédé à boues activées à aération progressive, proposé en 1936, et le procédé d'aération par étapes, proposé en 1942, ont amélioré l'équilibre de l'approvisionnement en oxygène en abordant respectivement les méthodes d'aération et d'influent. En 1950, l'américain McKinney a proposé le procédé à boues activées entièrement mélangées. Cette méthode a résolu efficacement le problème du gonflement des boues en modifiant le mode de survie de la communauté microbienne des boues activées, lui permettant ainsi de s'adapter aux changements de gradient de concentration du substrat dans le bassin d'aération.

Grâce à son application généralisée dans la production réelle et à son innovation technologique continue, le procédé à boues activées a progressivement remplacé le procédé à biofilm et est devenu la technologie dominante de traitement des eaux usées des années 1940 aux années 1960.

En 1921, le procédé des boues activées s'est répandu en Chine et la Chine a construit sa première usine de traitement des eaux usées-l'usine de traitement des eaux usées du district nord de Shanghai. En 1926 et 1927, les stations d'épuration des eaux usées des districts Est et Ouest de Shanghai ont été construites respectivement, avec une capacité de traitement quotidienne combinée de 35 500 tonnes à cette époque.

Dans les années 1950, l’eutrophisation des masses d’eau est devenue un problème majeur, faisant de l’élimination de l’azote et du phosphore une autre demande majeure dans le traitement des eaux usées. Par conséquent, une série de procédés d’élimination de l’azote et du phosphore ont été développés sur la base du procédé à boues activées, tels que les procédés A/O et A2/O les plus courants.

Principe d'élimination de l'azote : les composés organiques azotés sont décomposés en azote ammoniacal par des bactéries ammonifiantes. L'azote ammoniacal est ensuite décomposé et transformé par les bactéries nitrifiantes, d'abord en azote nitrique par les bactéries oxydantes des nitrites-, puis en azote nitrate par les bactéries nitrifiantes. Dans des conditions anoxiques, l'azote nitrique est transformé par deux voies par les bactéries dénitrifiantes : assimilation-dénitrification (synthèse), formant finalement des composés organiques azotés qui font partie de la cellule bactérienne ; et dissimilation-dénitrification (décomposition), avec de l'azote gazeux comme produit final.

Principe d'élimination du phosphore : dans des conditions anaérobies (potentiel d'oxydation-réduction ORP entre -200 et -300 mV), les bactéries accumulatrices de polyphosphates- convertissent le phosphore organique dans leurs cellules en phosphore inorganique, le libérant et utilisant l'énergie générée dans ce processus pour absorber la matrice organique dissoute dans les eaux usées afin de synthétiser des particules de poly(-hydroxybutyrate) (PHB). Dans des conditions aérobies, les bactéries accumulatrices de polyphosphates dégradent le PHB pour fournir l’énergie nécessaire à l’absorption du phosphore des eaux usées, complétant ainsi le processus d’accumulation de polyphosphates.

Bien entendu, les procédés de traitement des eaux usées énumérés ci-dessus ne représentent que la pointe de l’iceberg. Les méthodes de traitement des eaux usées se sont désormais développées en un vaste système. En regardant toute l’histoire, les progrès du traitement des eaux usées urbaines ont augmenté avec les exigences croissantes en matière de santé humaine, les changements dans la qualité de l’eau et la sophistication croissante du traitement des eaux usées. Simultanément, la gestion opérationnelle, les investissements et les coûts fonciers ont entraîné l'évolution continue des technologies de traitement de l'eau, simplifiant progressivement les opérations, l'utilisation des terres, les procédures et les apports de ressources énergétiques. Les exigences des populations en matière de qualité de l'eau augmentent, tandis que les processus de traitement sont de plus en plus rationalisés.