Adéquation de la mise en oevre d'une étape d'ozonation sur la future STEP de Vidy

étude du bassin versant

La STEP de Vidy reçoit deux bassins versant: celui de la Ville de Lausanne arrivant depuis le canal dit de Lausanne et celui de communes de l’Ouest lausannois depuis le canal dit de Renens.
Cette étude doit permettre une première appréciation quant à la présence de charges spécifiques. La présence de bromures en entrée de STEP est avérée avec des concentrations allant de quelques dizaines à plusieurs milliers de µg/l. Avant cette étude, en entrée de STEP, une seule valeur en chrome était disponible (0,24 µg/l) et aucune analyse n’a été effectuée.
Une première campagne de mesures ponctuelles de bromures sur le réseau lausannois d’évacuation a été réalisée entre mars et avril 2017:
– Le bruit de fond du réseau lausannois se situe entre 30 et 80 µg/l de bromures;
– L’incinérateur des ordures ménagères TRIDEL est le seul émetteur de bromures en quantité importante (entre 250'000 et 450'000 µg/l).

Une deuxième campagne de mesures ponctuelles des bromures a été mise en œuvre entre le 30 mai et le 8 juin 2017 en entrée de la STEP pour différencier les trois arrivées (canal de Renens, canal de Lausanne et sortie eaux sales de l’incinérateur à boues):
– L’influence de TRIDEL est confirmée;
– Des apports périodiques sont identifiés sur le canal de Renens (entre 100 et 500 µg/l); il ne semble pas y avoir d’impact sur l’entrée de la STEP (valeurs inférieures à 100 µg/l) en raison de la dilution opérée par le mélange avec les eaux du canal de Lausanne – des investigations complémentaires sont alors envisagées;
– Les concentrations en sortie de l’incinérateur à boues sont autour de 1000 µg/l. Elles n’ont pas d’incidence sur les concentrations de l’entrée de la STEP, compte tenu des dilutions opérées avec les eaux des canaux de Renens et de Lausanne.

Une troisième campagne de mesures de bromures, de chrome et de nitrosamines a été organisée les 21 et 27 septembre 2017 (jour sans rejet de l’incinérateur TRIDEL) et 10 octobre 2017 en entrée de la STEP, sur les arrivées du canal de Renens et du canal de Lausanne et en sortie du pilote Biofor (voir aussi chapitre suivant et fig. 4). Les 3 bilans 24 heures ont été réalisés à l’aide d’un préleveur automatique équipé de 24 bouteilles (ISCO 6712 FR) selon un mode de prélèvement séquentiel avec 4 échantillons par bouteille prélevés toutes les 15 min – un échantillon moyen de 2,4 litres est reconstruit sur la base des prélèvements horaires. L’échantillon moyen a été analysé par le laboratoire SCITEC (nitrosamines) et le laboratoire du service de l’eau de Lausanne (chrome, bromures). Les résultats sont les suivants:
– La source de bromures sur le canal de Lausanne est clairement identifiée et unique: l’influence de TRIDEL est de nouveau confirmée pour son apport de bromures en forte concentration;
– Une forte concentration en bromures sur le canal de Renens ayant une incidence sur la qualité globale de l’eau en entrée de STEP est relevée;
– Les concentrations en chrome ne posent pas de problème;
– Les concentrations en nitrosamines indiquent la présence d’industriels sur le bassin versant mais sont éliminées par les étapes biologiques et ne posent pas de problème.

Ces différentes campagnes de mesures sur le bassin versant ont permis progressivement de mieux connaître les apports sur le réseau d’évacuation en amont de la STEP de Vidy et de confirmer un potentiel problème de formation de bromates lors de la mise en œuvre d’une étape d’ozonation pour le traitement des micropolluants.

Mesures et essais à l'entrée de l'ozonation planifiée

Concentrations en bromures et nitrites

En septembre 2010, des essais d’ozonation ont été réalisés en laboratoire par l’Eawag. Différentes doses d’ozone ont alors été injectées sur un échantillon d’eau prélevé en sortie du lit fluidisé. Après une complète consommation de l’ozone, les bromates ont été mesurés.
Les résultats sont présentés sur la figure 3. Comme attendu, ces premiers essais ont montré que la formation des bromates est étroitement liée à la dose d’ozone. Pour une concentration initiale en bromure de 70 µg/l et une dose d’ozone spécifique de 1,4 g_O3 /g_COD, 10 µg/l de bromates sont formés.
Il a été décidé de compléter ces résultats par d’autres prélèvements. En effet, des analyses en entrée de la STEP ont montré une grande variabilité de la concentration en bromures. Lors du prélèvement, la concentration en bromure était relativement faible (70 µg/l), et peu représentative de la concentration moyenne. De plus, la concentration en nitrites était non négligeable (0,6 mg N-NO₂/l). Nous avons donc cherché à diminuer la présence de nitrites par une nitrification complète dans le but de se rapprocher au maximum de la qualité d’eau en entrée d’ozonation de la future usine.

Pilote Biofor

L’objectif du pilotage est de reproduire la qualité d’eau qui alimentera l’étape d’ozonation dans la future station d’épuration de Vidy. Cette étape consiste à effectuer des mesures à l’entrée de l’ozonation planifiée. Dans le cas de la STEP de Vidy, la difficulté de ces mesures repose sur la réalisation d’échantillons représentatifs de ce que sera la qualité de l’eau après un traitement poussé de l’azote en sortie alors que la STEP est en travaux.
Le pilote Biofor® (fig. 4) a été mis en place au début du mois d’avril par SUEZ. Il se trouve en aval du traitement biologique. Il a été choisi de placer le Biofor en sortie du décanteur secondaire car l’eau en sortie des deux autres filières (lit fluidisé et traitement physico-chimique) ne contient pas assez d’ammonium et de phosphore pour permettre un développement bactérien au sein de la Biolite, le média filtrant.
Une pompe immergée dans le canal de sortie du décanteur envoie l’eau décantée vers la cuve d’eau brute présentant un volume d’1 m³. Le débit d’eau en entrée de cuve est supérieur à celui de sortie pour maintenir un débordement permanent par le haut de la cuve. En sortie de cette cuve se trouve un préfiltre qui a pour rôle de protéger la pompe volumique qui alimente la colonne. Pour nos essais, la pompe volumique (Seepex BN2-6L) a délivré un débit de 0,7 m³/h, ce qui représente une vitesse de 3,5 m/h au sein de la colonne. Un compteur a permis de suivre l’évolution du volume d’eau en entrée du Biofor. L’aération est assurée par une injection continue d’air en bas de colonne par l’intermédiaire d’un compresseur à palettes (Becker DT4.8). Pour éliminer les boues, des lavages sont effectués chaque jour en utilisant une pompe de lavage (Seepex BN10-6L) ainsi qu’un compresseur d’air lavage (Becker DT4.25K). La colonne présente un diamètre de 50 pour une hauteur de Biolite d’environ 3,2 m (fig. 5). Le Biofor a nécessité un raccordement à l’air de service de la STEP pour l’alimentation en air des vannes pneumatiques.
L’eau en sortie du Biofor doit donc être nitrifiée et de qualité constante. Tout au long des essais, des prélèvements ponctuels ont été réalisés en entrée et sortie du pilote pour vérifier l’état de la biologie. Pour ce faire, nous avons suivi sur site l’azote (ammonium, nitrite et nitrate), le phosphore (orthophosphore) et le pH, ces mesures ayant été réalisées à l’aide de test en cuvette fournit par Hach Lange et d’un pH-mètre (SevenCompactTM de Mettler Toledo). En parallèle, le laboratoire du Service de l’eau a mesuré les MES, la DBO₅ (demande biochimique en oxygène en 5 jours), l’alcalinité, la DCO (demande chimique en oxygène), le COT (carbone organique total) et COD (carbone organique dissous). Ce suivi a eu lieu tous les mercredis et les jours de prélèvement pour l’EPFL qui a mené des expériences afin de déterminer le potentiel de formation des bromates pour différentes concentrations en bromures. Les mesures sur site ont été intensifiées pendant les périodes de démarrage du pilote.

ANALYSEs EN LABORATOIRE

Trois séries d’expériences ont été menées par l’EPFL/Eawag. Les prélèvements ont été réalisés les 8 mai, 15 mai et 14 juin 2017 pour des concentrations respectives en bromures de 381, 867 et 58 µg/l. Pour le prélèvement du 14 juin 2017, l’usine TRIDEL était à l’arrêt pour permettre la révision annuelle des installations.
Différentes doses d’ozone ont été appliquées sur les trois prélèvements effectués en sortie du Biofor en fonction du COD et de la concentration en nitrite de chaque échantillon. Les deux premiers échantillons prélevés le 8 mai et le 15 mai 2017 présentent des concentrations élevées en bromures, respectivement 381 et 867 µg/l (fig. 6). Pour l’échantillon du 8 mai, un dopage a été effectué pour obtenir une concentration de 500 µg/l en bromure. Dès 0,4 g_O3 /g_COD, 10 µg/l de bromate sont formés pour l’échantillon présentant initialement 381 µg/l de bromure.
Le troisième échantillon a été prélevé le 14 juin 2017 lors de l’arrêt annuel du four Tridel. Il présente une concentration de seulement 58 µg/l de bromure. Deux dopages ont été réalisés et ont permis d’obtenir des concentrations en bromure de 558 et 858 µg/l. Environ 5 µg/l de bromate sont formés pour une dose de 0,5 g_O3 /g_COD. Pour les échantillons dopés, la formation des bromates augmente proportionnellement pour atteindre 44 µg/l pour un dopage de 500 µg/l en bromure et 61 µg/l pour un dopage de 800 µg/l en bromure (fig. 7).
La figure 8 présente l’ensemble des résultats obtenus. En fonction de la concentration en bromure et de la qualité d’eau, il y a une grande variabilité en termes de formation de bromates. Pour une dose spécifique de 0,5 g_O3 /g_COD, la formation des bromates varie d’un facteur 10 (fig. 8a). La formation spécifique des bromates (fig. 8b) montre des variations probablement causées par des différences de matrice. En raison de la grande variabilité de formation des bromates, une ozonation de cette eau n’est pas recommandée sauf si la source principale des bromures peut être éliminée.

RÉDUCTION À LA SOURCE DES ÉMISSIONS DE BROMURES

Sur l’arrivée du canal de Lausanne, un seul émetteur de bromures en concentrations notables (l’incinérateur TRIDEL) ayant un impact fort sur la qualité de l’eau en entrée de la STEP de Vidy, il peut être envisagé une action à la source pour réduire les émissions de bromures dans le réseau d’évacuation des eaux. Une comparaison technico-économique des différentes variantes envisageables pour supprimer cet apport de bromure en entrée de STEP est alors réalisée sous mandat par CSD Ingénieurs SA. Que ce soit en rejetant les eaux directement au milieu naturel ou bien en installant à TRIDEL une étape de traitement complémentaire permettant de traiter spécifiquement ce problème. Les eaux entrant dans le système de traitement des rejets liquides de TRIDEL sont constituées des purges des laveurs et du lavage des cendres puis sont traitées par plusieurs étapes successives permettant de retirer les matières en suspension et les métaux lourds. L’installation fonctionne 5 jours sur 7 à un débit variant de 0 à 9 m³/h soit une moyenne de 4 m³/h. Comptetenu des évolutions possibles de l’installation (projet SwissZinc – recyclage central des boues d’hydroxyde d’UIOM), le débit moyen futur est estimé à 5 m³/h.
L’installation actuelle fonctionne correctement et répond globalement aux normes imposées. Les eaux traitées sont caractérisées par une très forte salinité et une concentration en bromure d’environ 500 mg/l (soit 5000 fois plus que l’objectif en entrée de STEP). En cas de rejet au milieu naturel, une attention particulière devra également être portée à la température et aux MES. Ceci peut facilement être résolu par un traitement complémentaire limité.

Rejet au milieu naturel

Deux exutoires sont identifiés: la rivière Vuachère ou le lac Léman. Les exigences de rejet qui seraient imposées (en plus de celles de l’annexe 3.2 de l’OEaux) en cas de rejet à La Vuachère excluent quasi-automatiquement ces solutions. Un rejet au lac n’imposerait en revanche qu’un traitement complémentaire limité (en particulier sur les MES). Plusieurs variantes techniques sont donc étudiées:

Variante 1

Rejet à La Vuachère via la dérivation de la rivière Flon; exclue en raison des contraintes de rejet à La Vuachère.

Variante 2

Rejet direct à La Vuachère; exclue en raison des contraintes de rejet à La Vuachère.

Variante 3

Rejet au lac via une conduite forcée; exclue en raison des risques de corrosion sur la conduite et la turbine.

Variante 4

Rejet au lac via le tunnel ferroviaire de TRIDEL; conservée.

Variante 5

Rejet au lac via la dérivation du Flon; conservée.

Variante 6

Rejet avec les eaux traitées de la STEP de Vidy; conservée. Au vu des exigences de rejet, la solution la plus simple sera l’introduction des eaux en sortie de STEP plutôt qu’à l’aval de l’ozonation ou en amont du filtre à sable comme cela a été fait à Zürich.

Variante 7

Rejet au lac via le tunnel du métro m2; exclue par les tl (Transports publics de la région lausannoise) en raison des contraintes imposées par le métro.

Variante 8

Rejet à la STEP de Pully; exclue en raison de l’incertitude sur le devenir de la STEP de Pully.

Les solutions de rejet au lac ou en sortie de la STEP de Vidy peuvent être retenues. La pose d’une canalisation en PE d’un DN 200 environ est faisable que ce soit dans le tunnel ferroviaire ou dans le voutage du Flon avec des contraintes différentes (travail de nuit, sécurité pendant les travaux, accessibilité à terme, propriété du voutage, etc.). Le rejet en sortie de STEP permet quant à lui de profiter de l’exutoire de la STEP qui assure une bonne dilution au lac (longueur et profondeur de la canalisation dans le lac).

Installation à TRIDEL d’une étape de traitement complémentaire

Les solutions de traitement sur site imposent en premier lieu de déterminer l’objectif de traitement imposé sur les bromures. Les calculs de dilution qui ont été réalisés permettent ainsi de montrer que moyennant un rejet de jour uniquement (afin d’obtenir une meilleure dilution en entrée de STEP), la concentration en bromures au rejet de TRIDEL devrait être inférieure à 25 mg/l (valeur calculée avec un résiduel très faible dans le réseau de 50 μg/l qui reste à confirmer).
Les éléments de comparaison à retenir entre toutes les variantes qui ont été étudiées sont donc les suivantes:

Variante A

Évaporation-cristallisation; conservée, solution fiable permettant une bonne qualité de traitement (< 10 mg/l).

Variante B

Évaporation à effet multiple; conservée, solution fiable permettant une bonne qualité de traitement (< 10 mg/l).

Variante C

Distillation par détentes successives; exclue en raison de la problématique d’évacuation de la saumure.

Variante D

Osmose inverse; exclue en raison de la problématique d’évacuation de la saumure.

Variante E

Electrodialyse; exclue en raison de la problématique d’évacuation de la saumure.

Variante F

Précipitation aux sels d’argent et filtration; exclue en raison des coûts du sel d’argent.

Variante G

Echangeur d’ions; exclue en raison de la concentration en chlorures résiduels.

Variante H

Débromination; exclue en raison du manque de retour d’expérience et de performances attendues insuffisantes aux regards des niveaux attendues d’élimination des bromures.

Les solutions d’évaporation sont fiables et permettent un traitement poussé de l’effluent mais impliquent la mise en œuvre d’une nouvelle installation complexe sur le site de TRIDEL. L’oxydation imposerait quant à elle des tests supplémentaires pour confirmer sa faisabilité en raison des niveaux de rejet nécessaires.
La solution de rejet au lac Léman est donc privilégiée et devra être mise en œuvre au préalable à la mise en service de l’étape d’ozonation sur la STEP.
Pour ce qui concerne les apports en bromures depuis le canal de Renens, les premières analyses des activités présentes sur le bassin versant ne permettent pas actuellement d’identifier clairement la ou les sources.

CONCLUSIONS

Les investigations sur les bassins versants préalablement à la mise en place d’une étape d’ozonation pour le traitement des micropolluants sur une STEP est indispensable afin de prévenir tout risque de formation de sous-produits indésirables tels que les bromates, chromates et nitrosamines. Dans le cas de la STEP de Vidy, les essais d’ozonation ont pu démontrer que la mise en œuvre de l’étape d’ozonation pour traiter les micropolluants sur la STEP de vidy était possible à condition de maîtriser et limiter les apports en bromures (moins de 150 µg/l). Les investigations réalisées sur le bassin versant de la STEP de Vidy ont permis sur la partie Est (réseau lausannois) d’identifier la source principale de bromures dans le réseau d’évacuation des eaux et d’envisager une solution technique permettant de limiter cette pollution et de ne pas péjorer la mise en place de l’étape d’ozonation. Par contre, sur la deuxième partie du bassin versant à savoir le réseau de la région ouest lausannoise, les investigations ne permettent pas à ce jour d’identifier clairement la ou les sources émettrices.
Ainsi, prenant en compte à la fois les incertitudes élevées quand aux sources actuelles et futures présentes sur le bassin versant, l’impossibilité de connaître et maîtriser les apports de bromures à la STEP de Vidy, la Ville de Lausanne a choisi de renoncer à la mise en place d’une étape d’ozonation pour traiter les micropolluants sur sa STEP.