La purificación de agua es un conjunto de tecnologías que tienen como objetivo purificar el agua para su reutilización o reciclar las aguas residuales en el entorno natural , o transformar las aguas naturales en agua potable .
El final de la XIX ª marcas siglo el surgimiento de las redes de drenaje y alcantarillado en Francia ( higienista actual , la renovación de París del barón Haussmann . Está lejos de aguas residuales de los hogares y los espacios de vida. Muy rápidamente el problema del futuro de esta agua residual surge . " Las crecientes cantidades (ya 2.000 m 3 por día en 1875) de vaciado para almacenar o esparcir se encuentran en los suburbios con el rechazo de los habitantes " . Con el trabajo de Pasteur, el conocimiento en microbiología se está desarrollando y el papel de los microorganismos en la degradación de la materia orgánica.
“ En 1914, dos ingleses, Edward Ardern y William Lockett, desarrollaron el primer proceso de depuración intensiva, un sistema de cuencas donde se airean los lodos resultantes de la biodegradación de los efluentes ”. Oxígeno que permite tanto activar el trabajo de las bacterias como promover su multiplicación. Nació el principio de los lodos activados. Las patentes se registran e implementan en los Estados Unidos y Gran Bretaña. En Francia, el auge de las plantas de tratamiento de lodos activados en las zonas urbanas comenzó alrededor de 1960 en las ciudades y luego en las zonas rurales. En cuanto a los procesos físico-químicos, su uso en Francia coincide con el desarrollo de las estaciones de deportes de invierno a principios de los años sesenta . " Los procesos de coagulación por tratamiento químico también se utilizaron en algunos balnearios franceses y en Noruega para proteger los fiordos de la eutrofización debida en particular a las descargas de fósforo " .
El tratamiento de aguas residuales hoy en día conduce a productos finales ( lodos de depuradora ) que no pueden reducirse ni eliminarse mediante cambios de proceso en la fuente. La eliminación de los lodos en el suelo, posiblemente, puede permitirse el lujo de aprovechar el contenido de la fertilización de los problemas de eliminación de aguas residuales y matériau.Les lodos se han agravado desde el XIX ° siglo por el desvío de residuos industriales acuosa a las plantas de tratamiento utilizado para las aguas residuales domésticas , que, al tiempo que permite un tratamiento eficiente de sus componentes degradables, aumenta la contaminación de las aguas residuales con materiales persistentes y / o tóxicos.
Existen tres técnicas principales para la depuración de agua, que se aplican tanto al tratamiento de aguas residuales como a la producción de agua potable :
Entre 1997 y 2016, fueron necesarios muchos avances en investigación y desarrollo para hacer frente a la creciente complejidad de la contaminación, cualquiera que sea su fuente. Los nuevos fertilizantes puestos en el mercado, así como la concienciación e identificación de nuevas fuentes de contaminación industrial o farmacéutica, como los residuos de fármacos activos rechazados por los particulares, plantean nuevos retos tecnológicos a la depuración.
Los procesos biológicos se utilizan para el tratamiento secundario de aguas residuales urbanas e industriales. En su configuración básica, se utilizan principalmente para la eliminación de compuestos carbonosos presentes en forma soluble como azúcares , grasas , proteínas , por lo que las soluciones fisicoquímicas suelen ser ineficaces, caras o difíciles de implementar. Estos son perjudiciales para el medio ambiente ya que su degradación implica el consumo de oxígeno disuelto en el agua necesario para la supervivencia de los animales acuáticos. El objetivo de los tratamientos biológicos es eliminar la contaminación orgánica soluble mediante microorganismos, principalmente bacterias . Los microorganismos heterótrofos , que utilizan materia orgánica como fuente de carbono y energía, tienen una doble acción:
Si es necesario, la transformación de iones amonio ( NH 4+ ) a nitrato ( NO 3- ) o la nitrificación se puede realizar simultáneamente.
Estos métodos también pueden permitir la eliminación de nitrógeno y fósforo por medios biológicos mediante la implementación de pasos adicionales en el proceso de tratamiento: introducción de un tanque anóxico , una cubeta anaeróbica .
Los diferentes procesos utilizados se pueden clasificar según las condiciones de aireación y uso de los microorganismos. Por tanto, existen diferentes procesos:
La carga de contaminantes orgánicos se mide comúnmente por la demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO5) o la demanda química de oxígeno (DQO).
Tratamiento aeróbicoLos sectores biológicos aeróbicos utilizan microorganismos presentes en el medio natural para degradar la contaminación . Se inspiran en las propiedades depurativas de suelos (filtros plantados con juncos - fito - depuración , filtros de arena) o ríos ( lagunas , lodos activados). El suministro de oxígeno puede ser natural (sistema de viento o cascada) en pequeñas instalaciones de laguna , o artificial (turbina o difusión de microburbujas) en plantas de tratamiento tipo "lodos activados".
Las bacterias pueden ser libres ( lodos activados , lagunas ) o fijas ( lecho bacteriano , filtros plantados, filtros de arena, biofiltro ) o incluso biodiscos.
Tratamiento anaeróbicoEsta zona permite la autooxidación. Esto obliga a los microorganismos a extraer energía de sus reservas para su actividad y reproducción: esto se denomina "respiración endógena". Se obtiene así la transformación de productos nitrogenados (en nitrógeno amoniacal) y productos de carbono.
Remoción de nitrógenoSi los reactores biológicos permiten un tiempo de contacto suficiente entre los efluentes y las bacterias, es posible lograr un segundo grado de tratamiento: la nitrificación . Esta es la oxidación del nitrógeno amoniacal a nitrito, luego a nitrato por bacterias nitrificantes. El amoniaco es tóxico para la fauna de peces y genera un alto consumo de oxígeno en el medio receptor. Las bacterias nitrificantes son autótrofas (ellas mismas fijan el carbono necesario para su crecimiento en CO 2disuelto en agua). Por tanto, crecen mucho más lentamente que los heterótrofos . Una planta de tratamiento de aguas residuales municipal debe eliminar primero los compuestos orgánicos antes de que pueda nitrificar.
Un tercer paso consiste en desnitrificar los nitratos resultantes de la nitrificación. Para ello existen varias técnicas: o bien la desnitrificación se realiza en la balsa de aireación durante la fase de parada de las turbinas, o bien se bombea una parte del agua cargada con nitratos al final del tratamiento biológico y se mezcla con el agua de entrada. agua, a la cabeza de tratamiento. Luego, la desnitrificación tiene lugar en un reactor anóxico, en presencia de compuestos orgánicos y nitrato. El nitrato se reduce a nitrógeno molecular (N 2) que se escapa al aire en forma de burbujas, que se eliminan en el desgasificador en caso de desnitrificación en la balsa de aireación. El exceso de nitratos son contaminantes que están en el origen de la invasión de algas en determinados mares, en particular el Mar del Norte .
Los sectores fisicoquímicos utilizan medios físicos ( decantación , flotación , filtros y membranas ) y / o químicos, en particular coagulantes ( cloruro férrico , sulfato de aluminio , etc.) y floculantes . Se utilizan para determinados efluentes industriales (tóxicos) o cuando hay que gestionar variaciones rápidas en los caudales a tratar (caso de plantas de tratamiento de aguas residuales en poblaciones turísticas, o cuando, con una red unitaria, queremos atender la llegada de agua de lluvia ).
En el estado actual de la tecnología , Las membranas de microfiltración , ultrafiltración y nanofiltración se utilizan principalmente para la purificación de agua.
En instalaciones complejas que tienen que procesar varios parámetros, los dos canales se pueden encontrar simultáneamente.
Convencionalmente, una planta de tratamiento de lodos activos urbanos comprende las siguientes etapas:
El tratamiento secundario puede incluir fases de anoxia (o una parte separada en anoxia) que permite degradar los nitratos .
Estos pasos se dividen en tres menús que son:
Los canales de tratamiento de agua pueden incluir un paso final, llamado "tratamiento terciario", que incluye uno o más de los siguientes procesos:
Pero cada paso genera subproductos que también deben eliminarse: residuos gruesos, arena y especialmente lodos formados, entre otras cosas, por bacterias muertas.
Paralelamente al circuito de tratamiento de aguas, las plantas de control de contaminación también incluyen una línea de tratamiento de lodos.
El tratamiento de los lodos tiene como finalidad estabilizar estos lodos (hacerlo inerte) por un medio que puede ser fisicoquímico con, por ejemplo , cal , o biológico dejando que el lodo permanezca en digestores (reactor calentado y agitado para permitir una digestión anaeróbica ).
El tratamiento luego incluye trabajos de sedimentación (esto se llama espesamiento), almacenamiento y deshidratación (prensa, filtro prensa , centrifugadora ), o incluso secado, conversión a biogás o incluso incineración . Los metales en solución en agua se pueden neutralizar: variando el pH del agua en ciertos rangos, estos contaminantes se decantan.
La digestión de los lodos produce metano (CH 4), que, cuando se produce en cantidades suficientemente grandes, se utiliza como energía: producción de electricidad, caldera o inyección en la red de gas natural y sulfuro de hidrógeno (H 2 S), que puede causar asfixia en un ambiente cerrado.
Cuando los lodos de depuradora están libres de cualquier producto tóxico, se pueden reciclar como fertilizante en agricultura con un acondicionamiento adecuado para facilitar su manipulación y almacenamiento en obra (tratamiento con cal ). Cuando están contaminados, es necesario tirarlos a vertedero . Una solución elegante para las comunidades locales es compostarlas con residuos verdes o realizar una digestión anaeróbica para producir biogás . Según el país, las rutas de eliminación pueden variar. En Suiza, por ejemplo, el vertido de lodos está prohibido y la recuperación agrícola finalizó el1 er de octubre de 2008(con prórroga de dos años en algunos casos) por los riesgos para la salud y el suelo y bajo el principio de precaución. El único canal autorizado es la eliminación térmica (plantas de incineración de residuos domésticos, fábricas de cemento).
Finalmente, un tercer circuito (opcional) se encarga del tratamiento del aire contaminado. También puede ser biológico o químico.
Distinción establecida por el artículo L.2224-8 del código general de autoridades locales, relativo a la depuración de aguas residuales domésticas.
Saneamiento colectivo Aquello que cuenta con el pleno apoyo de la comunidad (el municipio, o el establecimiento público de cooperación intermunicipal - EPCI - en el que ha delegado esta competencia): captación, transporte, tratamiento, vertido al medio natural de agua tratada y disposición. subproductos. Saneamiento no colectivo Cualquiera que no se beneficie de este apoyo. No obstante, el municipio tiene la obligación de ejercer el control (control de diseño, ejecución, buen funcionamiento, buen mantenimiento) y puede, si lo desea, hacerse cargo del mantenimiento.Las técnicas de saneamiento colectivo se describen arriba.
Estrictamente hablando, no existe una técnica de saneamiento no colectivo, ya que es un concepto normativo y no técnico .
Sin embargo, para la depuración de aguas residuales de una vivienda individual (pocos habitantes), existen técnicas específicas, que se calificarán como saneamiento individual o autónomo. Estas técnicas utilizan canales exclusivamente orgánicos.
Se necesitan cuatro elementos para una instalación de saneamiento en el sitio:
Muchas plantas de tratamiento han logrado avances reales en la calidad del agua, pero generalmente no pueden tratar adecuadamente los nitratos y fosfatos, o ciertos tipos de virus o bacterias, y ninguna de las plantas convencionales es capaz de degradar los muchos microcontaminantes (medicamentos, cosméticos, detergentes). , etc.) presentes en las aguas residuales. Así, según Roberto Andreozzi, de la Universidad de " Nápoles Federico II", "la atención prestada hasta ahora por gobiernos y científicos al impacto de los productos farmacéuticos en el medio ambiente puede calificarse de bajo o insignificante" y "en los efluentes analizados, notamos la presencia de 26 fármacos pertenecientes a seis clases terapéuticas: antibióticos , betabloqueantes , antisépticos, antiepilépticos , antiinflamatorios y reguladores de lípidos ” . Las lagunas terciarias o el tratamiento terciario mediante un bosquecillo de sauces de rotación corta se han probado eficazmente, pero se están desarrollando muy lentamente (menos del 1% de las plantas de tratamiento de aguas residuales en Francia). Se pueden utilizar otros sistemas de tratamiento terciario, como la desinfección UV o la ozonización. Algunas plantas de tratamiento están obsoletas, o abrumadas en determinados momentos o por los caudales de agua de lluvia en caso de inundaciones. Finalmente, tras el tratamiento del agua, surge el problema de qué ocurre con los lodos de depuradora (a veces muy contaminados por contaminantes no degradables, que, si este lodo se gestiona mal, puede llegar posteriormente a aguas superficiales o subterráneas). Cuanto mejor se depure el agua, más tóxico será el lodo si, aguas arriba, no se han eliminado productos no biodegradables de los canales que corren el riesgo de contaminar el agua. Las plantas de tratamiento de aguas residuales de los municipios que viven de los deportes de invierno o los balnearios tienen que hacer frente a picos repentinos de frecuentación.
Paradójicamente, algunas emisoras contaminan. Así, más de un año después de que Thames Water (la compañía británica de agua) tuviera enseptiembre 2007contaminado gravemente el río Wandle con cloro durante la limpieza de una de sus plantas de tratamiento de aguas residuales, sin alertar inmediatamente a las autoridades, la Agencia Británica de Medio Ambiente anunció que “En 2007, las empresas del 'agua eran (en el Reino Unido) responsables de un la quinta parte de la contaminación grave causada por un mal mantenimiento, sobreuso u obsolescencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales ” . Aguas abajo de París , en las Yvelines , la planta de tratamiento de aguas residuales de Seine-Aval d ' Achères trata las aguas residuales de seis millones de habitantes de Ile -de-France . En 2007, esta estación no cumplió con una directiva adoptada en 1991 sobre el tratamiento de aguas residuales urbanas. Tras el trabajo de “DERU”, la estación de Achères, ahora llamada Seine-aval, cumple con las disposiciones de la directiva europea de 1991.
Aunque está prohibido por la ley (en particular la ley costera de 1986), existen excepcionalmente algunas plantas de tratamiento de aguas residuales en lugares sensibles (lugar clasificado, lugar Natura 2000 , zona costera, etc. ) como Amphitria ubicada en Cap Sicié o la localidad de Saint-Jean-de-Luz , Ciboure y Urrugne . Sin embargo, Amphitria es una de las fábricas de la cuenca mediterránea que cumple con la normativa europea, al igual que las estaciones de Niza (Haliotis), Montpellier, La Ciotat, etc.
En 2013, six ans après un 1 er avertissement ( juillet 2004 , pour 140 agglomérations en non-conformité), la Cour de justice de l'Union européenne (CJUE) a confirmé la non-atteinte des objectifs, le non-respect par la France de ses obligations concernant la directive 91/271/CEE traitement des eaux urbaines résiduaires dite « Deru » pour l'agglomération de Basse-Terre et pour les agglomérations d'Ajaccio-Sanguinaires, de Bastia-Nord, de Cayenne-Leblond et de San Denis.
Es necesario un mejor y más rápido conocimiento de la fisicoquímica de los lodos, su BmP y sus variaciones estacionales o accidentales de calidad para una recuperación segura de los lodos (metanización, esparcimiento de digestatos).
En 2014 , se puso en marcha un programa de investigación denominado Mocopée ( "Modelado, control y optimización de procesos de purificación de agua" ) con SIAAP (productor de 230.000 toneladas de lodos de DM al año ), IRSTEA y la Universidad Tecnológica de Compiègne , que reúne cerca de 15 equipos científicos e industriales para caracterizar mejor los lodos urbanos. Esperamos, por ejemplo, poder evaluar la actividad biológica de un lodo mediante la medición directa de la fluorescencia (colaboración ENVOLURE-Siaap)
El tratamiento convencional en las plantas de tratamiento de aguas residuales no destruye la mayoría de los microcontaminantes (residuos de pesticidas, detergentes, medicamentos, hormonas, etc.) presentes en las aguas residuales. Sin embargo, estas moléculas, incluso en dosis muy bajas, son tóxicas para la vida acuática. Son necesarios tratamientos adicionales para eliminarlos y cumplir con los requisitos cada vez más estrictos de la Directiva Marco Europea del Agua . En el marco del proyecto Micropolis-Processes, entre 2014 y 2016 se realizó una evaluación inicial del tratamiento de microcontaminantes por ozonización en condiciones reales de funcionamiento de una planta de tratamiento de aguas residuales. El estudio realizado en la planta Sophia -Antipolis confirmó la degradación de todas las moléculas (76 microcontaminantes orgánicos y metálicos) mediante la aplicación de dosis variables de ozono según las clases de microcontaminantes. Según científicos de Irstea, piloto del proyecto, “ el consumo eléctrico del tratamiento de ozonización representó hasta el 25% del consumo eléctrico total de la estación. Se debe principalmente al funcionamiento del sistema de producción de aire, el generador de ozono y el destructor térmico, cuyo consumo podría reducirse ”. Limpiar el agua de sus contaminantes finales da como resultado un gasto adicional de 10 a 18 céntimos de euro (sin impuestos) por m 3 de agua tratada, es decir, alrededor de diez euros, impuestos incluidos, por año (estimación del consumo anual de 'aproximadamente 50 m 3 por habitante ) .
Un estudio modeló el consumo de energía de los 5 grandes sectores de tratamiento de agua más utilizados en Francia, sobre la base de los puntos de referencia de consumo de energía establecidos por sector y para cada etapa de tratamiento: por estación (tratamiento de aguas, lodos de tratamiento, etc.) y por subestación (aireación de estanques, digestión de lodos, etc.). Observación: por tanto, en Francia se consume más energía que en otros países comparables; Esto se debería a un esfuerzo posterior de ahorro energético en Francia en esta zona, y a un dimensionamiento de las estaciones en función de la semana que aporta más aguas residuales en el año (sin cuenca amortiguadora), lo que hace que el gasto energético sea subóptimo el resto de la población. hora. El proceso de “ lodos activados ” (preferido en Francia; 80% de las plantas de tratamiento de aguas residuales con más de 2.000 Habt eq.) Es el que consume menos energía pero no purifica completamente el agua. Los biorreactores de membrana (en fuerte desarrollo) producen agua más limpia pero consumen mucha energía (y podrían optimizarse).
Irstea ha desarrollado un software galardonado (conocido como ACV4E ) que se utiliza para evaluar el impacto ambiental de las redes de saneamiento y / o plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. También proporciona información sobre las áreas de mejora, especialmente en lo que respecta al uso de herramientas de monitorización y alerta, sistemas de regulación y optimización de la ventilación (principal fuente de consumo energético). Irstea ha publicado recomendaciones para constructores, comunidades y operadores, que pueden permitir un ahorro de energía del 5 al 20% dependiendo de las estaciones.
La transición energética tendería a hacer que las plantas de tratamiento de aguas residuales fueran más autónomas en energía, incluso positivas en energía, y también menos emisoras de gases de efecto invernadero (cf. N2O y CH4 ) mediante una mejor recuperación de los residuos de las estaciones (lodos de depuradora en particular, con la producción de biogás). que puede abastecer la propia estación). Pero a pesar de las mejoras, estamos lejos de eso: el tratamiento de aguas residuales sigue consumiendo energía y contribuye al efecto invernadero.
El óxido nitroso (o N 2 O) es un gas de efecto invernadero 300 veces mayor que el CO 2 ; sus emisiones de los sistemas de purificación están muy subestimadas. Una evaluación del IPCC arrojó un 3,5% de las emisiones antropogénicas de N 2 O alrededor de 2010, pero muy sesgada porque se basa en un factor de emisión calculado en una planta de tratamiento de aguas residuales estadounidense destinada a tratar principalmente carbono y no nitrógeno. Sin embargo, en Francia, “las plantas de tratamiento de aguas residuales tratan tanto el carbono como el nitrógeno”, “Además, incluso las emisiones bajas de N 2 O pueden tener un impacto considerable en el impacto climático y la huella de carbono de las plantas., Hasta un 80% según nuestros resultados ".
Un modelo de acuerdo con el factor de emisión del IPCC da 0.035% N para una planta de tratamiento de aguas residuales de París, mientras que la cifra real es 2.5-5% N, es decir, las emisiones de GEI equivalen al 5% de la emisión. De CO 2de transporte, 4 mil millones de km recorridos en coche / año, Viajes anuales de 400.000 habitantes o 1,5 millones AR avión Toulouse-París / habitante.
Desde 2012, Irstea y ONEMA (ahora AFB ), en particular a través de los proyectos Mocopee y N2O TRACK (2015-2018), han buscado cuantificar mejor el N 2 Orespectivamente emitidos por los lodos activados, filtros de carrizo, biofiltros, mostrando que determinados parámetros de gestión y funcionamiento de las estaciones favorecen estas emisiones, que también varían mucho según el proceso utilizado (del 0 al 5% de la carga de entrada de nitrógeno) y - para el mismo proceso - dependiendo de la época del año. Esto muestra que los enfoques y modelos basados en factores de emisión fijos de N 2 O son irrelevantes.
De acuerdo con el principio de quien contamina paga, las plantas de tratamiento de aguas residuales a menudo se financian con impuestos, a través de las agencias de agua en los países donde existen. En los países en desarrollo, a veces han existido programas especiales de incentivos, como PRODES en Brasil, desde 2001.
En términos de prospectiva , y en una dinámica rifkiniana y en el marco de la “Ciudad inteligente y sostenible” (incluida la domótica ), se perfila una tendencia que, como la Smart Grid que hace “inteligentes” las redes energéticas, ofrece soluciones técnicas a Hacer las redes de distribución de agua más "inteligentes" y eficientes (hablamos de Smart Water). Un área común entre estos dos enfoques podría ser la recuperación de calorías de las aguas residuales en alcantarillas o aguas arriba, o el uso de la red de agua para el transporte de refrigeración. El proyecto europeo Powerstep, lanzado en julio de 2015 bajo los auspicios europeos, coordina estudios destinados a hacer que las plantas de tratamiento de aguas residuales produzcan electricidad .
Otro punto importante que condiciona el futuro de las plantas de tratamiento de aguas residuales se refiere a la reutilización de las aguas residuales tratadas (REUT) para el riego agrícola que permite aportar tanto agua como nutrientes a los cultivos. A nivel mundial, la reutilización controlada de aguas residuales afecta a alrededor del 5% de las aguas residuales tratadas (Israel, Estados Unidos, Australia, España, Túnez, países del Golfo, etc.). En Francia, la REUT está muy limitada por la legislación que, teniendo en cuenta los riesgos de dispersión o depósito de gérmenes patógenos en los cultivos, aplica el principio de precaución. Por lo tanto, los casos de solicitud se limitan a unos pocos proyectos (Clermont-Ferrand, Île de Noirmoutier, Golf de Royan, etc.). Desde 2017, el gobierno francés ha tenido una fuerte ambición para el REUT, especialmente en regiones con déficit de agua recurrente. En este contexto, la agencia del agua Rhône Méditerranée Corse ha lanzado convocatorias de proyectos. Los proyectos en marcha en 2018 tienen como objetivo desarrollar el conocimiento que permita las mejores prácticas de reutilización, y más allá proponer recomendaciones para la modificación de la normativa.