Traitement Des Eaux Usées

Charge de surface du bioréacteur Vb

2014-01-13T11:23:00.005+00:00

La charge de surface est un paramètre utilisé lors du dimensionnement du bassin de sédimentation. On calcule la vitesse de sédimentation dont a besoin une particule de boue pour se déposer au fond du le bassin de sédimentation et ne pas s’écouler avec l’effluent.

Charge de surface Vb = Débit (m³/h) / Surface de sédimentation (m²)

Pour être sûr qu’on ne perd pas de boues avec l’effluent, la vitesse de décantation doit être plus grande que la vitesse ascensionnelle dans le basin de sédimentation.

Age des boues (MCRT: Mean Cell Retention Time)

2014-01-13T11:19:00.002+00:00

Les boues activées s’accroissant, elles doivent être purgées vers un bassin de stockage puis déshydratées sur une base de temps régulière. De cette manière, la concentration en boue dans le bioréacteur peut être gardée à peu près constante.

Le temps de rétention cellulaire moyen est le temps de résidence des boues activées dans le réacteur. Le MCRT rend donc compte du nombre de jours durant lesquels une cellule de boue est retenue dans le réacteur, comme formulé ci-dessous :

L’âge des boues est normalement exprimé en jours. Les valeurs typiques se trouvent entre 5 et 20 jours. Ces valeurs sont valables pour des systèmes plutôt faiblement chargés. Dans des systèmes à haute charge (croissance plus importante) les MCRT diminuent, et des temps de rétention de boue de 2 jours sont plausibles.

Le Taux d’accroissement des boues

2014-01-13T11:09:00.003+00:00

Pendant le traitement des eaux, une croissance de la boue peut indiscutablement être observée. La division cellulaire est à l’origine de ce phénomène. Pour le dimensionnement d’un bassin de stockage des boues et des appareils servant à la déshydratation de ces boues, il est important de prévoir la quantité de boue qui devra être purgée de temps à autres.

Le taux d’accroissement des boues (TAB) représente la quantité de boue produite (en kg) en supprimant 1 kg de Demande Biologique en Oxygène DBO ou Demande Chimique en Oxygène (DCO biodégradable). En équation :

Avec :

Remarque : évidemment, si des boues sont purgées vers le bassin de stockage des boues dans le même temps, cela doit être pris en compte !

En fonction de la charge en boue imposée à la station, le taux d’accroissement des boues varie entre 0,15 et 0,6 kg MLSS/kg DCO supprimée.

La croissance des boues peut aussi être représentée en fonction des valeurs DBO de l’eau usée. Les valeurs entre 0,4 et 0,7 kg MLSS/kg DBO sont souvent utilisées.

Plus la charge en boue est importante, plus le taux d’accroissement des boues est important : le partage de la matière organique disponible pour la maintenance cellulaire (énergie de dissimilation) est moins important lorsque la charge augmente. Cela engendre un plus grand partage des substances organiques (en quantité plus importantes donc) pour l’accroissement de la biomasse (= assimilation).

Efficacité d’abattement du traitement biologie

2014-01-13T10:59:00.007+00:00

L’efficacité de suppression d’une station d’épuration est représentée par la corrélation entre la quantité X (DCO, DBO, N, P, etc.) entrant le système avec l’eau usée et la quantité X (DCO, DBO, N, P, etc.) qui le quitte avec l’effluent. Elle est donc exprimée sous forme de pourcentage de quantité X de l’influent supprimé. Ceci peut être formulé comme suit :

En général :

X-efficacité abattement (%) = (X influent – X effluent)/X influent x 100

Spécifique :

Efficacité abattement DCO (%) = (DCO influent – DCO effluent)/DCO influent x 100
Efficacité abattement DBO (%) = (DBO influent – DBO effluent)/DBO influent x 100
Efficacité abattement TN (%) = (TN influent – TN effluent)/TN influent x 100
Efficacité abattement TP (%) = (TP influent – TP effluent)/TP influent x 100

Charge massique Sb (ou F/M: food to micro-organisms)

2014-01-13T10:56:00.002+00:00

La charge en boue correspond à la quantité de matière organique (exprimée en DBO ou DCO) pouvant alimenter 1 kilogramme de boue en 1 jour. La masse totale de boue peut être prise en compte de différentes façons : les calculs sont fait avec la concentration totale de solides en suspension dans le réacteur (MLSS – mixed liquor suspended solids), mais on peut aussi considérer la fraction organique (MLVSS – mixed liquor volatile suspended solids). Évidemment, la MLVSS est toujours en pourcentage, du fait de la fraction de résidu en cendres, plus petite que la MLSS. En conséquence, les charges en boue exprimées à partir de la MLVSS sont plus importantes.

Une charge en boue normale se situe entre 0,15 et 0,25 kg DBO/kg MLSS.jour, des charges en dessous de 0,05 kg DBO/kg MLSS.jour sont considérées très faibles. Les très hautes charges sont celles atteignant 0,4 kg DBO/kg MLSS.jour et plus.

Charge Organique Volumique

2014-01-13T10:48:00.001+00:00

La charge volumique correspond à la quantité DBO ou DCO traitée par 1 m³ du volume du réacteur en un jour. La charge volumique exprime donc combien de matière organique (exprimée en unité DBO ou DCO ) peut être ajoutée au bio-réacteur pour chaque m³ de volume actif en un jour. Ceci peut être formulé comme suit :

Avec:

Charge organique journalière (kg DBO/jour) = Qin (m³/jour) x DBOin (kg DBO/m³)
Charge organique journalière (kg DCO/jour) = Qin (m³/jour) x DCOin (kg DCO/m³)

Pour une station aérobie, on considère des valeurs s’étalant de 0,2 à 1,2 kg DBO/m³.jour comme normales. Il est une fois de plus prendre en compte les différents paramètres de dimensionnement tels que la charge organique totale, du rapport DBO/DCO, du volume du réacteur et de la concentration en boue.

Volume actif du bioréacteur

2014-01-13T10:39:00.005+00:00

Le volume actif représente la partie du bioréacteur ou la biodégradation prend effectivement place. Dans un système aux boues activées, le volume aéré de la station est considéré comme le volume actif du système.

Pour un système conventionnel, on peut le formuler comme suit :

Volume actif (m³) = Volume total (m³) – Volume sédimentation (m³)

Le volume de sédimentation d’une station conventionnelle est aussi appelé volume passif puisque l’étape de sédimentation est requise seulement pour séparer les boues de l’effluent.

Temps de Séjour Hydraulique

2014-01-13T10:36:00.003+00:00

Le temps de séjour hydraulique correspond au temps total requis par l’eau usée pour s’écouler à travers tout le système. Le T.S.H est calculé en divisant le volume total par le débit d’eau entrant.

En résumé, le temps de séjour hydraulique exprime combien de jours ou heures l’eau usée est présente dans le bioréacteur. Sous forme de formule, cela donne :

T.S.H (heures) = Volume Total (m3) / Débit entrée (m3/h)

Remarque : le T.S.H dans le bassin tampon est aussi calculé.

Procédés Aérobies

2014-01-13T10:17:00.002+00:00

La technologie aérobie alimente le système eau usée/micro-organismes en oxygène, afin de faciliter la décomposition des substances contenues dans les eaux usées. Ces substances sont ensuite transformées sous l'effet d'une action d'oxydation en composants minéraux.

En plus de la création de conditions de procédés optimales, certains paramètres doivent être considérés avec la plus grande attention durant le dimensionnement et l’opération de la S.T.E.P en vue d’obtenir les caractéristiques d’effluent désirées. Les principaux paramètres de procédés sont présentés ci dessous :

Temps de Séjour Hydraulique (T.S.H)

Volume actif

Charge organique volumique

Charge massique (ou F/M: food to micro-organisms)

Efficacité d’abattement

Taux d’accroissement des boues

Age des boues

Charge de surface

Élimination des nutriments

2013-07-15T12:41:00.001+00:00

L'eutrophisation des eaux de surface (= augmentation de la concentration d'azote et de phosphate dans les eaux de surface, avec une croissance excessive des algues comme la cause) doit être évitée par tous les moyens possibles. Pendant la nuit les algues consomment tout l'oxygène, donc les chances de survie des poissons, amphibiens, etc.diminuent beaucoup.

Pour éviter cela, la purification de l'eau est surtout soumis à des normes d'émission pour l'azote (= N) et de phosphate (= P). L’élimination biologique des nutriments est un processus important dans la plupart des systèmes de traitement des eaux usées.

Sauf pour les matières organiques, les eaux usées contiennent principalement de l'azote (N) et phosphore (P) composés. Les deux composés sont utilisés par les boues activées pour la croissance cellulaire. Nous appelons ce phénomène l'élimination assimilative des nutriments.

Des concentrations plus élevées d'éléments nutritifs doivent être éliminés par d'autres moyens, chimiques ou biologiques:

• La suppression biologique de l'azote se fait par la nitrification / dénitrification;

• La suppression biologique de phosphore n'est possible que dans des proportions limitées (DBO/P > 100/4);

• Pour une meilleure suppression du phosphate nous utilisons principalement la méthode de précipitation chimique.

Pour leur croissance cellulaire des micro-organismes ont besoin de N et de P ; ces composés sont consommés pour construire et consolider les matériaux cellulaires. La concentration nécessaire est le plus souvent exprimée en rapport de DBO/N/P. Dans la littérature le besoin le plus commun des éléments nutritifs a un rapport de DBO/N/P de 100/5/1, ce qui signifie que, avec 100 unités de DBO des boues activées (systèmes aérobies) ont besoin de 5 unités d'azote et 1 unité de phosphore pour leur croissance cellulaire. Ces valeurs sont toutefois élevées et ne sont précises dans les stations de traitement des eaux usées avec une charge élevée et avec une vitesse de croissance des boues élevé. Des systèmes de boues activées qui sont opérés à faible charge, ont besoin de moins d'éléments nutritifs. Un rapport de DBO/N/P de 100/2,5/0,5 est suffisant.

Lorsque des concentrations plus importants de N et P sont présents, il est possible de les enlever par des moyens autres que biologiquement.

Pour résumer, l'adoption assimilative des éléments nutritifs est clairement fonction de la croissance des boues et la charge organique entrant dans le système. Nous avons normalement pour but de maintenir la production de boues le plus bas que possible, donc cette voie d'élimination des nutriments est plutôt limitée.

Diversité microbiologique

2012-09-19T16:16:00.002+01:00

Une culture de boue activée regroupe une grande variété de micro-organismes. Les espèces les plus importantes, pour le traitement d’eaux usées, sont les bactéries, group d’organismes muni d’innombrables membres. Ces bactéries déterminent la capacité de biodégradation, et donc l’activité, de la boue.

Des organismes de plus haut rang (principalement protozoaires) jouent aussi un rôle important. Les champignons ou levures peuvent être aussi présent dans le bioréacteur mais n’occupent qu’une petite place dans la population totale de boue.

La composition de la boue dépend de nombreux facteurs, tels que: composition de l’eau usée, température, aération, âge des boues, etc.

La communauté hétérogène de micro-organismes présente dans une station de traitement des eaux spécifique diffère selon les conditions de procédé appliquées. L’interaction à l’intérieur de cette diversité microbiologique, la différence des conditions d’opération et bien sûr, la compétition parmi toutes ces bactéries, fait que la composition de la boue ne sera pas la même dans deux stations différentes.

L’énorme différence entre les boues anaérobies et aérobies peut être mentionnée. Les différences entre des populations mésophiliques et thermophiliques sont aussi considérables. D’autres différences sont moins prononcées, on peut penser à la différence de composition selon les saisons (hiver versus été), ou quand la composition dans l’influent change brusquement.

Quel mécanisme détermine le genre de bactéries présentes dans une population de boue donnée ? Ci-dessous, quelques exemples :

La majorité des bactéries présentes dans la boue activée sont facultativement aérobies. Cela signifie qu’elles peuvent survivre aussi bien en présence qu’en absence d’oxygène. Cependant, il existe aussi une catégorie strictement anaérobie, qui ne peut pas survivre lors de périodes (prolongées) sans air. Enfin, certaines bactéries sont strictement anaérobies (par exemples les méthanogènes), pour eux O2 est un composé toxique. Evidemment, ce dernier genre de bactéries ne prend place que dans un système strictement anaérobie.

Selon les concentrations en oxygène dissous imposées dans une station aérobie, les bactéries facultativement ou strictement aérobies vont dominer. Les bactéries strictement anaérobies sont complètement absentes dans un système aérobie.

On peut aussi faire une distinction entre bactéries hétérotrophes et autotrophes :

Les bactéries hétérotrophes gagnent leur énergie en oxydant les sources de carbone (= matière organique). Cette énergie est ensuite investit pour la croissance et la prolifération des cellules.
Les organismes autotrophes sont les bactéries utilisant CO2 comme source de carbone. Comme les plantes, elles assimilent CO2 pour leur croissance cellulaire. L’énergie requise pour l’accroissement de cette biomasse est obtenue en oxydant l’ammonium-N en nitrate-N (= nitrification par Nitrosomonas et Nitrobacter). Cependant, du fait que seule une relativement faible quantité d’énergie peut être acquise grâce à ces réactions de nitrification, les organismes autotrophes ont un taux de reproduction plus bas que celui des hétérotrophes. Dans des conditions normales, cela signifie que les organismes autotrophes représentent seulement un petit pourcentage de la population totale de micro-organismes. Toutefois, si l’eau usée contient beaucoup d’azote (élément N), et peu de composés organiques carbonés, la présence de nitrifiants est favorisée et il est possible de retrouver plus d’autotrophes que d’hétérotrophes.

La nature exacte de la contamination organique joue un rôle déterminant dans la composition d’une certaine population de boue. Les micro-organismes qui possèdent un métabolisme particulier naturel pour la biodégradation de composés organiques difficilement dégradables sont favorisés.

L’évolution de la biomasse vers une population bactérienne avec des enzymes spécifiques, adaptés à la biodégradation de composés spécifiques est bénéfique pour l’efficacité de la station d’épuration. Plus la population est adaptée, meilleur est le rendement, l’abattement en DCO, N, P, etc. On parle alors de boue bien adaptée.

En conclusion, on peut dire que la loi fondamentale de « survie du plus adaptée » est valide dans un système aux boues activées. Les micro-organismes les plus adaptées aux conditions de procédé (aérobie anaérobie, mésophilique-thermophilique, nature de la contamination, etc.) dominent par rapport à ceux moins adaptés au milieu. Ceux étant peu adaptés représenteront donc un petit pourcentage et les moins acclimatés aux circonstances seront supprimés du fait de la compétition !

Microbiologie des boues activées

2012-09-19T16:10:00.002+01:00

La biodégradation des composés contaminants représente évidemment la finalité de toutes technologies employant un système dit aux boues activées. Les micro-organismes (= bactéries, champignons, protozoaires et métazoaires) sont de ce point de vue de la plus haute importance puisqu’ils représentent la partie active de la boue.

Flocons de boues activées

Les bactéries (Pseudomonas, Arthrobacter, Escherichia, Flavobacterium, etc.) sont le genre de micro-organismes le plus présent dans un système aux boues activées. Elles peuvent être libres, sous forme de cellules non liées ou organisées en flocons de boue. L’aptitude à la formation de flocons est une propriété très importante en vue de garantir une bonne séparation entre la boue et l’eau claire obtenue.

Puisque la concentration en boue est élevée dans un bioréacteur, le rapport entre le substrat alimenté et la quantité de biomasse présente est assez faible. Avec ces petites charges en boue, de nombreuses bactéries possèdent des cellules qui tendent à s’attacher entre elles. Certaines forment ainsi de nouveaux flocons (environnement pauvre en substrat). Cette technique est utilisée par les bactéries pour se protéger contre les prédateurs et empêcher qu’elles se trouvent éjectées vers un environnement plus hostile.

Ce phénomène est combiné à celui de la sélection naturelle rend compréhensible le fait que sous certaines conditions, une boue bien « floconneuse » se développe. Cette sélection naturelle de bactéries floconneuses s’effectue du fait de la phase de sédimentation imposée. Puisque leur vitesse de sédimentation est très faible, les cellules libres (mini flocons esseulés) présentes dans le réacteur se trouvent purgées au lieu d’être retenues avec les autres.

Remarque : Si aucune étape de sédimentation n’est imposée aux boues (dans un MBR) la structure en flocons disparaît très rapidement.

Les flocons de boue, qui consistent en cellules bactériennes (morte ou vivantes) et autres particules d’origine non bactérienne, sont gardées ensemble dans une sorte de matrice de substances polymères (= EPS : polysaccharides extra cellulaires) par des forces de liaisons chimiques.

La plupart des bactéries sont chargées négativement. Evidemment, les ions chargés positivement, et en particulier les ions bivalents tels que Ca2+ et Mg2+ entretiennent, renforcent le couplage des cellules (= pont).

Photo d’une cellule bactérienne entourée par des EPS

Suivant les conditions exactes de procédé, il peut y avoir d’importantes différences de morphologie, structure et taille des flocons. 3 classes peuvent être distinguées :

Petits flocons : diamètre < 25 micromètres

Flocons de taille moyenne : diamètre = 25 - 250 micromètres

Gros flocons : diamètre > 250 micromètres

Les cellules libres correspondent aux cellules non liées à quelque flocon, qui flotte librement à la surface de l’eau. Deux mécanismes sont à l’origine de l’apparition de ces cellules : alimentation via l’influent et cassage des flocons par les forces de cisaillement créées par le pompage ou l’aération.

Dans un système conventionnel (= sédimentation), la trop grandes présence de telles cellules libres peut poser de sérieux problèmes. La concentration de solides en suspension dans l’effluent augmente et il devient impossible d’obtenir un effluent clair en sortie.

2. Bactéries filamenteuses

Les micro-organismes à l’intérieur desquels les cellules restent assemblées après la division cellulaire pour former des structures allongées sont appelés bactéries filamenteuses. La croissance en filament est typique d’une certaine sorte de micro-organismes, principalement bactéries. Des exemples sont Microthrix parvicella, Haliscomenobacter hydrossis, etc. Les bactéries mentionnées ci-dessus se trouvent sous forme filamenteuse selon certaines circonstances.

Les bactéries filamenteuses, de même que les bactéries floconneuses, contribuent au procédé de traitement des eaux usées. Cependant, une croissance massive des micro-organismes filamenteux conduit à la détérioration des propriétés de décantation et déshydratation de la boue. Un amas de filaments se crée et la migration des particules de boues jusqu’au fond du bassin est sérieusement contrariée. En d’autres termes, les filaments peuvent être à l’origine d’une mauvaise sédimentation des boues.

La taille de la population en micro-organismes filamenteux dans un système de boues activées peut varier grandement et est souvent reflété par l’index en filament (= FI). Cet index part de 0 (= absence presque totale de filaments) et termine à 5 (= énorme excès de filaments). La différence de quantité de filaments entre 2 niveaux FI successifs correspond à peu près à un facteur 10. L’utilisation de l’index de filament induit une certaine expérience et interprétation de chercheur/opérateur.

D’autres méthodes de quantification (comptage) demandent trop de temps pour entrer dans le contrôle routinier des boues.

Bien qu’il n’y ait pas d’étape de sédimentation dans un MBR, une importante quantité de bactéries filamenteuses peut avoir un effet négatif sur le bon fonctionnement du MBR. Les filaments sont connus pour augmenter la résistance à la filtration des boues (= RSF) entraînant une diminution du débit et une hausse des PTM. Ces hautes valeurs RSF peuvent provenir de l’enveloppe cellulaire gluante des bactéries filamenteuses (s’accrochant facilement à la surface membranaire) et/ou de la formation d’un amas de filament relativement rigide sur la membrane (faisant augmenter la résistance à la manière d’un gâteau de filtration).

Remarque : De grandes quantités de bactéries filamenteuses dans la boue activée ont aussi un effet négatif sur l’efficacité de l’aération.

Photo des populations de boue Fl: 0

Photo des populations de boueFl:1

Photo des populations de boue Fl:2

Photo des populations de boue Fl:3

3. Filaments contre flocons

La séparation entre les flocons de boue et l’eau claire est un important procédé ayant des conséquences majeures sur la qualité de l’effluent. Il est évident que la quantité de filament représente un paramètre essentiel pour déterminer la qualité d’une boue.

Afin de favoriser la formation d’une biomasse floconneuse, une phase de « disette » (= période pendant laquelle aucun substrat libre n’est disponible) est nécessaire. Cela signifie en fait qu’un gradient de substrat doit être créé dans la station selon le lieu (zone) et le temps (phase) :

Place : sélection (= zone de contact entre la boue et l’eau usée) ou configuration réacteur piston;

Temps : procédé cyclique sous contrôle, ce qui permet d’alterner les périodes d’accumulation (= alimentation + aération) et de régénération (= aération seulement), les 2 procédés essentiels pour la création d’un gradient de substrat dans un réacteur unique.

Tout cela est en fait lié à la création d’une phase/zone d’accumulation et de régénération dans le bassin d’aération. La boue est nourrie (et aérée) durant l’étape d’accumulation, le substrat étant disponible, les micro-organismes à l’origine de la formation de flocons s’en servent donc.

L’étape suivante, étape de régénération, la biomasse est seulement aérée, pas d’alimentation (= “disette”). Durant cette phase, le substrat accumulé peut être dégradé (= respiration endogène). La plupart du substrat libre est utilisé pendant la période d’accumulation, de ce fait, les concentrations en substrat dans l’étape de régénération sont négligeables.

Les bactéries formatrices de flocons peuvent assimiler un grand nombre de composés organiques très rapidement, sans forcément les métaboliser directement. Elles possèdent un avantage certain par rapport aux bactéries à l’origine des filaments durant la période de régénération.

Une quantité suffisante de substrat doit être disponible (charge en boue > 0,05 kgDBO/kg MS*jour). En cas de manque, l’accumulation n’est plus possible. Le substrat disponible est consommé très rapidement par les bactéries filamenteuses.

La concentration en oxygène dans le bioréacteur est un paramètre critique. Pour des concentrations en oxygène dissous (< 1 mg O2/L), les « formateurs de filaments » sont favorisés par rapport aux formateurs de flocons car ils ont une plus grande affinité envers l’oxygène. A des concentrations plus élevées, les formateurs de flocons rentrent à nouveau en compétition.

En résumé : La formation de filament peut être empêchée en gardant une quantité suffisante d’oxygène et de substrat disponible pour les micro-organismes, un gradient de substrat pouvant alors être créé dans le bioréacteur.

Certains éléments sont connus pour être à l’origine de l’apparition de filament et doivent être évités :

Sulfite d’hydrogène (H2S) : Thiothrix, Beggiatoa;

Huiles et matières grasses : Nocardia, M. parcivella (remarque : effet négatif sur le transfert d’oxygène vers la phase eau);

Manque de nutriments : Thiothrix, N. limicola;

pH < 6 : champignons.

4. Organismes supérieurs (prédateurs)

On trouve avec les micro-organismes mentionnés ci dessus, utilisant le substrat de l’eau usée comme nourriture, presque toujours d’autres organismes plus gros (protozoaires et métazoaires) dans la boue.

La plupart de ces organismes préfère se nourrir de cellules bactériennes accessibles : cellules libres ou semi libres flottant dans l’eau, et étant à peine attachées aux flocons de boue. Il y en a aussi qui consomment entièrement les flocons de boues ou autres organismes plus complexes. C’est pour cela qu’ils sont communément appelés organismes prédateurs.

Les protozoaires et métazoaire sont visibles sous microscope, du fait de leur large taille (10 to 10000 μm flocons de boue : maximum 500 μm), de leur forme caractéristique et de leur mobilité.

Les protozoaires sont des êtres unicellulaires présents dans la plupart des populations de boue activée. Ils se nourrissent donc de cellules bactériennes libres et de matières colloïdales. Ils peuvent être divisés :

Ciliates (20-400 μm) : caractérisée par une grande mobilité, conduit par des sortes cilia sous forme de cheveux.

 Ciliates nageur;

 Ciliates rampant;

 Ciliates en tige;

Flagellâtes (5-20 μm) : très mobiles aussi, de forme ovale, conduit par une longue flagelle faisant des mouvements battant;

Amoeba (10-100 μm) : mobilité à l’aide de « mini pattes »;

Heliozoa.

Photos d’un protozoaire (gauche = un ciliate nageur ; droite = un ciliate en tige)

Photos d’un protozoaire (gauche = flagellâtes ; droite = amoeba).

Les métazoaires sont, en contraste avec les bactéries et les protozoaires, multicellulaires, et donc plus gros. Ils ont la plupart du temps un rôle mineur dans le procédé par boue activée. Ils sont présent sous forme de :

Rotifères : (50-500 μm) se nourrissent de grosses particules de boue.

Nématodes : gros invertébrés.

Vers.

Photos de métazoaires (gauche = un rotifère ; droite = un ver rampant)

La présence de métazoaires et protozoaires dans la boue activée est normale dans un processus stable et indique une bonne santé de la boue.

Il existe d’autres points positifs : Dans un système conventionnel, la qualité de l’effluent est améliorée (= moins de solides en suspension) est liée à leur présence. Cet effet positif est généré car les cellules ingurgitées par les prédateurs sont celles qui rencontrent des difficultés à décanter. Ces organismes eucaryotes se nourrissant de particules de boue congénère, l’accroissement des boues est ainsi ralenti. La minéralisation des boues grâce aux vers est un bon exemple : la prolifération des vers peut accidentellement conduire à une diminution du taux de croissance des boues.

La présence ou absence de certains genres de micro-organismes fournit des informations sur les conditions exactes d’opération. Ces organismes (prédateurs, protozoaires et métazoaires) sont donc utilisés comme organismes indicateurs.

Les prédateurs étant des organismes eucaryotes plus gros, la présence d’oxygène est absolument nécessaire pour leur présence. En cas d’absence d’oxygène, la population de prédateur est des moindres et presque inexistante

L’apparition de vers est souvent liée avec une période de procédés à plus hautes températures et apporte fréquemment une couleur rouge à la boue et l’effluent.

Il faut tenir compte que la composition de la boue active est fortement connectée à l’âge des boues (MCRT : Mean Cell Retention Time) et à la charge en boue (F/M). Les organismes prédateurs peuvent être trouvés quand l’âge des boues augmente, car ils reproduisent plus lentement leurs cellules que les autres bactéries compétitrices. Les oeufs de rotifères par exemple ont besoin de 3 jours pour éclore.

En résumé :

Eau et substances (in)organiques dans les boues activées

2012-09-19T15:16:00.001+01:00

L’eau dans la boue

La boue activée est pleine de matière organique principalement de l’eau. Le pourcentage d’eau dans la boue peut être de 99% et plus.

L’eau présente dans la boue activée peut être divisée en plusieurs classes. Les différentes classes d’eau sont distribuées selon le type et l’intensité de leurs liaisons physiques avec des particules solides. Dans une boue en suspensions, 4 sortes d’eau peuvent être distinguées :

Eau libre, non liée aux particules.
Eau interstitielle, liée par force capillaire.
Eau de surface, liée par forces adhésives.
Eau intracellulaire, présente à l’intérieur des cellules.

Seule la partie eau libre peut être séparée lors de la déshydratation mécanique (centrifuge, filtre presse, etc.). L’eau liée, qui est fortement attachée à la boue de surface, peut seulement être supprimée par un procédé thermique.

2. Les particules d’origine non bactérienne

A côté des micro-organismes et des particules excrétées par ces mêmes micro-organismes, des substances (in)organiques non produites par la biologie peuvent être contenues dans les boues activées. Il y a aussi souvent des macro-particules entrant le bioréacteur avec l’influent qui s’accrochent aux flocons de boue : fibres papier, sable, argile sels précipités, plastiques, etc.

A quel point ces particules sont présentes dans la boue dépend fortement du type d’eau usée et de la présence ou non d’une unité de dessablage, d’une pré-clarification, d’un dégrillage et/ou d’un prétraitement en amont de la station d’épuration.

Inhibition par composés toxiques

2012-09-13T13:32:00.001+01:00

Dans certaines circonstances, l’efficacité d’un système aux boues activées peut soudainement diminuer, et dans le pire cas, être nulle. Des composés toxiques présents dans l’influent sont normalement à l’origine de ce phénomène. Une fois dans le bioréacteur, ces substances inhibitrices ont un effet négatif sur l’activité biologique.

Exemples d’inhibition : toxicité due aux métaux lourds, empoisonnement par des composés organiques particuliers (phénols, détergents cationiques, antibiotiques, etc.), présence d’oxydants forts, etc.

Pour préserver un bon fonctionnement de la station, la présence de composés toxiques dans l’influent doit être limitée à un minimum absolu.

L’effet exact sur la biologie dépend, parmi d’autres facteurs, de la nature et de la concentration des composés inhibiteurs et des conditions environnementales (pH, potentiel redox, etc.).

L’effet de toxicité sur un procédé de traitement des eaux usées peut être divisé en 3 catégories :

Inhibition de l’activité. La population microbiologique travaille encore, mais à un moins bon rendement qu’à l’habitude.
Arrêt total de l’activité microbienne. Toutes les bactéries meurent, ou sont « capturées » dans un état végétatif statique, dans lequel ils sont métaboliquement inactifs. Dans certains cas, l’activité biologique peut reprendre une fois les composés toxiques sont supprimés du bioréacteur.
La troisième catégorie est une forme de toxicité plus spécifique. L’activité générale n’est pas affectée, seule la dégradation d’une certaine sorte de substrat est inhibée. Ce problème est souvent rencontré dans des systèmes où des composés xénobiotiques sont dégradés par co-métabolisme.

Afin d’évaluer l’impact d’une inhibition sur un procédé de boues activées, il est important de connaître les mécanismes à l’origine de la toxicité des certaines substances. Les composés cellulaires et processus suivant sont sensibles aux effets toxiques :

L’enveloppe cellulaire d’une bactérie peut être complètement détruite par les métaux lourds, phénols, détergents, ammonium quaternaire ou certains alcools. La perméabilité de l’enveloppe membranaire augmente et peut devenir mortelle pour la cellule elle-même.
Le changement de structure de certaines protéines/enzymes, avec comme résultat une perte de fonction cellulaire. Ceci peut être causé par des halogènes, phénols et autres alcools.
Interférence avec l’activité intracellulaire des enzymes peuvent ralentir voire stopper le métabolisme. Les composés toxiques produisant cet effet sont : la cyanite, les oxydants forts (chlore, hypochlorite, etc.), phénols, métaux et métalloïdes.
Interférence avec la production d’acides nucléiques (= ADN et ARN) peuvent inhiber la reproduction bactérienne (= division cellulaire). Les métaux lourds génèrent ces effets toxiques.

Les conditions environnementales jouent un rôle très important sur l’impact que les substances toxiques ont, en particulier concernant les métaux lourds. Leur toxicité est déterminée par leur concentration, leur état d’oxydation, le pH environnant et les potentiel redox mis en jeu, le type de système empoisonné (aérobie ou anaérobie, nitrifiants, etc.) et le potentiel d’adaptation de la bactérie en question.

Les formes toxiques des métaux sont en fait leurs sels solubles (= ions) complexes anioniques. Les sels non dissous, les oxydes et éventuellement les métaux élémentaires sont rarement toxiques.

L’effet pH est double : d’abord les bactéries sont directement sensibles au pH. Evidemment, pour des valeurs pH trop hautes ou trop basses la toxicité est due au pH lui même. Le pH a aussi un effet indirect sur la toxicité des métaux. La solubilité des ions métallins dépend du pH : plus le pH est bas, plus les concentrations en métaux dissous dans l’eau sont importantes (= précipitation hydroxyde moindre), la toxicité étant alors plus grande.

Dans un système anaérobie, tout le souffre est présent sous forme de sulfite, alors qu’ils se trouvent sous forme de sulfates oxydés dans un système aérobie. Puisque la solubilité des sulfites métallins est plus petite que celle du sel sulfateux, la fraction de métaux lourds précipités sera plus importante dans un système anaérobie. C‘est pour cette raison qu’un trop important pourcentage de métaux lourds peut être dangereux pour le bon fonctionnement d’une station anaérobie. En général, un système anaérobie est néanmoins moins sensible à la toxicité due aux métaux (si S2- est assez présent et les concentrations en métaux pas trop élevées) qu’un système aérobie.

Les bactéries nitrifiantes ont la réputation d’être très sensibles à ce genre d’inhibition.

En dessous, une liste de composés inhibiteurs est dressée avec leur concentration toxique. Une étendue de concentration est donnée : la valeur la plus basse représente le seuil d’inhibition, la valeur la plus haute correspond à l’arrêt immédiat de l’activité biologique.

Remarque : la liste suivante n’est certainement pas complète, d’autres composés toxiques existant :

Cuivre : 0,01 à 20 mg/L (très toxique)
Zinc : 0,3 à 10 mg/L
Cadmium : 0,1 à 20 mg/L
Chrome : 25 mg/L
Nickel : 25 mg/L
Plomb : 900 mg/L
Cobalt : 0,3 à 10 mg/L
Mercure : 0,01 à 20 mg/L
Méthanol : 90 mg/L
Isopropanol : 55 mg/L
Acétone : 75 mg/L
Pentachlorophénol : 1 to 200 mg/L
Cyanite : 10 to 150 mg/L
Produits dérivés pétrole : 200 à 500 mg/L (transport O2 bloqué)
Carbohydrates chlorés : 100 à 500-1000 mg/L

Température d'eau du bassin biologie

2012-09-13T13:17:00.001+01:00

Les systèmes aux boues activées opèrent normalement sous une température de 5 à 35 °C (température mésophilique). La température dans un tel système, la température détermine le taux et la vitesse des réactions de dégradation biochimique. Plus la température est importante, plus les réactions sont rapides :

Dégradation du substrat;
Accroissement de la biomasse;
Nitrification/dénitrification
Etc.

De plus, les boues activées récupèrent plus facilement d’un choc toxique lorsque les températures sont plus élevées. Les principales raisons à ceci se trouvent dans l’augmentation du taux de croissance des boues pour des plus hautes températures.

En résumé : Une station d’épuration travaille plus efficacement à une haute température. Cependant, si cette température atteint un niveau trop élevé (> 35-40 °C), l’activité biologique ne supporte plus cette température. Si la température est trop haute pendant un trop long laps de temps cette perte d’activité peut devenir permanente et même totalement irréversible !

Les réactions de nitrification sont particulièrement influencées par la température. Le taux de nitrification diminue considérablement lorsque la température descend en dessous de 20°C et est pratiquement nul si une température de 10°C est atteinte. Les réactions de dénitrification dépendent un peu moins de la température.

Nutriments eaux usées

2012-09-13T13:12:00.002+01:00

Les nutriments sont essentiels pour la croissance des boues, limitant celle ci au niveau de la formation cellulaire. Les plus importants sont l’azote (= N) et le phosphore (= P) ; ils sont aussi appelés macronutriments.
N et P doivent être présents selon un rapport spécifique dans la charge organique entrant. En littérature, les valeurs 100/5/1 sont optimales pour le rapport DBO/N/P de l’eau usée pour des systèmes à haute charge. Un rapport DBO/N/P = 100/5/1 signifie en fait que pour 100 mg/L DBO la biomasse a besoin de 5 mg/L N et 1 mg/L P.
Pour une station à faible charge, (croissance des boues plus petite) un rapport DBO/N/P = 100/3/0,5 peut être utilisé.

Outre N et P, les micro-organismes ont aussi besoin de micronutriments. En littérature, on parle de Ca, Mg, Mn, Fe, Cu, Cr et Co comme les micronutriments les plus importants.
Si les nutriments ne sont pas disponibles en quantité suffisante dans l’eau usée brute, ils doivent être ajoutés. Cela implique l’ajout de N et P en premier lieu, mais il est aussi possible que d’autres éléments soient dosés dans l’eau usée (en particulier pour le traitement de condensas).

pH (degré d’acidité)

2012-09-13T13:08:00.002+01:00

Le pH optimal pour des bactéries aérobies se situe autour de 7, milieu neutre. Le pH de la boue activée doit toujours être entre 6,5 et 8,5.
Remarque : cette étendue de valeurs s’applique seulement au degré d’acidité du bioréacteur. Cela signifie que si le pH est plus bas ou haut dans l’influent, et que le pH dans le bioréacteur reste situé entre 6,5 et 8,5 il n’y a pas de problème du tout.
Le pH d’un influent acide peut monter du fait de la biodégradation de composés acides et/ou en cas d’ammonification. Le pH d’un influent basique peut chuter du fait d’une acidification, dégradation de composés basique, nitrification et/ou production de CO2 (légèrement acide, propriétés tampon : équilibre CO2-bicarbonate-carbonate).
Le degré d’acidité des boues en suspension est défini la plupart du temps par une mesure du pH sur l’effluent. Le pH de l’effluent étant le même que dans le réacteur.
Si l’eau à traiter contient beaucoup de NH4+-N (> 100 mg/L), il est préférable de travailler en pH 6,5 et pH 7,5 puisque une concentration élevée NH4+-N à haut pH entraîne une production plus forte de gaz NH3 (odeur !). De plus cela a un effet négatif sur les réactions de nitrification.

NH3 – NH4+ en fonction du pH

Oxygène (aération/mélange)

2012-09-13T12:55:00.004+01:00

L’apport d’oxygène est indispensable pour oxyder la matière organique et l’ammonium grâce à la biomasse présente. Un manque d’oxygène influence immédiatement l’efficacité d’abattement. L’oxygène doit être fourni sous forme dissoute, d’où le terme oxygène dissous, “Dissolved Oxygen” en anglais (= D.O.).

Une concentration D.O. minimale entre 1 et 2 mg O2/L doit être conservée dans le bassin d’aération.

Dans un système aux boues activées, 3 procédés nécessitent l’apport d’oxygène :

Respiration du substrat : oxydation du substrat (0,6 kg O2/kg DBO).
Respiration endogène : maintenance cellulaire (0,08 - 0,15 kg O2/kg MLSS*jour).
Nitrification : conversion de l’ammonium en nitrate (4,6 kg O2/kg N).

L’approvisionnement en O2 peut être effectué à l’aide d’aérateurs de surface (amène l’eau en contact avec l’air environnant), d’une aération à fines bulles (injection de petites bulles d’air dans l’eau) ou d’un aérateur immergé. Il arrive parfois que de l’oxygène pur soit utilisé pour l’aération de station d’épuration.

L’aération consiste en 2 procédés de base :

Processus physique : l’oxygène est dans l’eau et ensuite transporté vers les flocons de boue (diffusion et turbulence).
Processus biochimique : avant que l’oxygène puisse être utilisé par les cellules organiques, les molécules d’O2 doivent être diffusées à travers la membrane cellulaire.

Evidemment, le transfert d’oxygène dans un système biologique est influencé par de nombreux facteurs : composition de l’eau usée, température, type d’aération, caractéristiques des boues et configuration du réacteur. Cependant, ceci est un sujet compliqué et ne sera pas étudié en détail.

Une déficience en oxygène dans une station d’épuration peut être causée par :

Surcharge organique : charge > charge maximale définie.
Trop de matières grasses, huiles ou autres surfactants dans le bioréacteur.
Concentration en boue trop importante : impact négatif sur le taux de transfert d’oxygène et augmentation de la respiration endogène.
Amas volumineux de boue : boue filamenteuse (Nocardia).
Mauvais fonctionnement du système d’aération.

La concentration en oxygène dissous peut être plus faible à l’endroit où l’eau usée arrive dans le bassin d’aération. La demande en oxygène est ici plus forte (plus de substrat libre disponible), d’où la création d’un gradient de D.O. dans le bioréacteur mélangé.

Un manque prolongé d’oxygène peut conduire à :

Diminution de l’efficacité d’abattement.
Formation d’une biomasse filamenteuse, donc moins bonne décantabilité.
Nuisance olfactive, due à la formation d’acides volatiles et H2S dans des conditions anaérobies.
Arrêt total des réactions de nitrification (= oxydation de NH4+-N) et donc plus de suppression d’azote.

Des concentrations d’oxygène trop élevées n‘influencent pas directement l’efficacité d’abattement, mais les concentrations de D.O. > 5 mg O2/L doivent être évitées car :

Zone aéré (bassin biologie)

Gaspillage d’énergie;
Plus petits flocons (= mauvaise décantabilité /effluent turbide).
Peut être à l’origine de la formation de filaments.

Débit d’alimentation (quantité et composition)

2012-09-13T11:54:00.000+01:00

Chaque station d’épuration des eaux usées est développée pour être capable de traiter une certaine quantité de matière organique. Cette quantité ou charge organique est généralement exprimée en kg DBO ou DCO par jour ou en EH (Equivalent Habitant = 1 EH = 54 g DBO).

Il est primordial de respecter la charge maximum et de ne pas la dépasser ! Cette charge maximale est la charge prise en compte lors du dimensionnement du réacteur.

Il est aussi très important que cette charge soit homogène si l’on veut obtenir un effluent de qualité à tout instant. Les pics de charge doivent être évités à tout prix ! Lorsque cette charge organique nominale est dépassée, on parle de surcharge du système. Les appareils pour l’aération de l’eau usée ne pourront pas suivre et fournir la quantité d’oxygène nécessaire.

Une telle situation a un impact très négatif sur le processus de traitement :

Détérioration de la qualité de l’effluent : teneur en O2 insuffisante pour oxyder/dégrader tous les composés organiques (DBO/DCO);
Conditions anaérobies à l’intérieur des boues activées : production microbiologique d’acides gras et de H2S (= problème d’odeur !).

La composition de l’eau usée compte aussi énormément. En général :

La culture bactérienne se forme en fonction de la composition de l’eau usée entrante. Les grands changements dans la composition ou quantité d’eau ne peuvent être traitée de manière optimale;
Pas de composés toxiques

Les matières grasses et huiles ne sont que partiellement biodégradables et ont des effets néfastes sur certains procédés de biodégradation et sur la sédimentation des boues granulaires. Les graisses et huiles doivent absolument être supprimées lors d’un prétraitement ! Lorsque la teneur en graisses et huiles dans l’eau usée devient trop importante, cela conduit souvent à un « entassement » des boues (= capacité de décantation amoindrie).

processus aux boues activées

2012-09-13T11:44:00.001+01:00

Le processus aux boues activées peut être influencé par plusieurs facteurs. On se doit de créer des conditions optimales de fonctionnement afin d’obtenir un traitement des eaux usées le plus performant possible.

Les paramètres les plus critiques/importants sont listés ci-dessous :

Pour le traitement biologique des eaux usées, le procédé aux boues activées est très répandu. Les boues activées regroupent toute une variété de micro-organismes, principalement des bactéries (Pseudomonas, Arthrobacter, Escherichia, etc.) et des protozoaires (Ciliates, Flagellâtes, Rhizopodes, etc.), mais aussi des champignons, éponges ou levures, etc.

En fait, les procédés entrant en jeu dans une station d’épuration sont 100 % naturels, et font partie du cycle global de la matière. D’innombrables micro-organismes, principalement bactéries et mycètes, interviennent dans le recyclage d’éléments chimiques (C, N, P, S, etc.) en matière organique. Cette mixture de “microbes” libère les éléments chimiques de la matière organique (= minéralisation/dégradation de la matière organique).

Grâce à ce processus de dégradation, ces éléments peuvent être réutilisés par les organismes photosynthétiques (= incorporation dans la biomasse). Ainsi, le cycle est fermé.

Dans un environnement naturel, trop peu de ces micro-organismes sont présent pour dégrader/convertir totalement les substances organiques de façon rapide et efficace. C’est pour cette raison qu’on se doit de conserver des conditions optimales de fonctionnement dans le réacteur biologique (température, pH, nourriture suffisante, assez d’oxygène, nutriments, pas de perte de boue, etc.). Cela permet de maintenir une biomasse considérable et de qualité de manière à obtenir un traitement efficace et rapide.

En fait, on peut considérer que le bioréacteur est simplement une intensification d’un processus naturel de dégradation.

Le métabolisme bactérien est l’essence même de tout traitement biologique. Une étape de séparation doit être insérée afin de permettre l’extraction de l’effluent des boues, ces particules de boues devant être séparées de l’eau traitée. Le mécanisme de séparation traditionnellement appliqué dans une station d’épuration est la sédimentation. Les flocons de boues se déposent au fond du réacteur, l’eau traitée en surface pouvant ainsi être purgée.

Systèmes SBR

2012-08-31T00:52:00.006+01:00

Dans d’autres systèmes, tels que les systèmes SBR (Sequential Batch Reactor ou Réacteur à Batch Séquentiel : LUCAS®-1) ou hybrides (LUCAS®–2, 3 et 4), les deux procédés fondamentaux (aération et sédimentation) sont séparés seulement en temps, on peut parler de phases fondamentales. La succession des phases est répétée continuellement dans le temps. C’est pourquoi ces systèmes sont nommés “systèmes cycliques”.

Les phases successives sont : alimentation/aération et sédimentation/décharge. Après quelques heures d’aération, le système d’aération est arrêté et les boues sédimentent dans le même bassin. Quand les boues ont assez sédimenté, l’eau propre s’écoule vers le point de décharge. Ce même bassin est utilisé pour une phase d’alimentation/aération, c’est-à-dire que le recyclage de boues vers le bassin d’aération n’est pas nécessaire pour ces systèmes. Le surplus de boues, par suite de production de biomasse, est purgé de temps à autres vers le stockage/déshydratation des boues. Figure donne un schéma d’un système SBR.

Alimentation

L’eau usée est alimentée dans le réacteur et mélangée avec les boues activées. Le réacteur est donc aéré et mélangé ou seulement mélangé si on désire implanter une étape de dénitrification. Pendant cette phase, les boues activées sont fortement chargées avec l’eau usée. Les boues activées absorbent les composés organiques biodégradables. On appelle cette phase la phase d’accumulation. On peut comparer ces conditions de procédés au sélecteur normalement installé dans un système conventionnel.

Aération

Pendant la phase d’aération, les boues sont aérées (ou mélangées en cas de dénitrification). Il n’y a pas d’alimentation d’eau usée. Les boues digèrent le substrat biodégradable préalablement absorbé. Cette phase est appelée phase de régénération. L’alternance des phases d’alimentation et d’aération (accumulation-régénération) optimise le développement d’une population de boues activées de structure dense ayant des bonnes propriétés à décanter.

Sédimentation

Pas d’alimentation d’eau usée pendant cette phase. L’aération et le mélange sont aussi arrêtés. On laisse le temps aux boues de s’agréger et se déposer tranquillement au fond du bassin. Les conditions idéales pour permettre une décantation des boues optimale: pas de flux d’eau à travers le réacteur; pas de contre courant empêchant la sédimentation des boues. Ces conditions idéales ne peuvent jamais être obtenues dans un système conventionnel muni d’un clarificateur secondaire.

Décharge

Pendant cette phase, la partie haute/eau claire surnageant est vidangée du réacteur. Les boues continuent de sédimenter. On a de nouveau des conditions optimales de sédimentation qu’on ne pourrait avoir avec un système conventionnel.

Il est possible pendant cette phase de purger les boues en excès du réacteur. L’avantage de purger les boues durant cette phase réside dans le fait qu’elles sont concentrées au fond du bassin, moins de temps et d’efforts sont nécessaires.

Les plus importants avantages des systèmes cycliques sont la non nécessité de recirculation des boues (moins d’équipement : pompes, tuyaux, mécanismes de raclage), la simplicité du système (tous les procédés prennent place dans un seul bassin) et surtout la flexibilité (contrôle en temps).

Comparaison entre système conventionnel et système SBR

Un système SBR peut être composé d’un ou plusieurs bassins, chacun alternant entre phase de biodégradation et phase de sédimentation. La dégradation de la matière organique et la séparation entre l’effluent clair et la boue se fait dans chaque bassin mais à différents intervalles de temps (opération contrôlée en temps). Les temps nécessaires à chaque phase d’alimentation, régénération, sédimentation, rinçage et vidange déterminent la durée totale d’un cycle et peuvent être facilement ajustés à travers une matrice selon les caractéristiques de l’eau usée entrante. S’il est nécessaire de supprimer les nutriments, il est facile d’insérer une alternance entre phase aérée et phase seulement mélangée dans la matrice. Les systèmes de type SBR sont classés dans les systèmes de contrôle en temps.

Le nom de “fill-and-draw” (remplissage puis décharge) est généralement utilisé quand seulement un réacteur est utilisé pour toutes les phases. A partir du moment où l’on a deux bassins, on parle de système SBR. Chaque bassin fonctionne avec le même cycle, mais déplacé dans le temps de manière à permettre une alimentation continue du système global.

Réacteurs conventionnels

2012-08-31T00:33:00.001+01:00

La technologie dite aux boues activées représente l’essence/le moteur d’une station de traitement d’eaux usées biologique de type « conventionnelle » ou « hybride » (SBR, LUCAS, etc.). L’eau usée et les boues sont mélangées ensemble dans un réacteur et après traitement biologique, un effluent clair, sans matières en suspension, doit être obtenu. Ceci implique l’implantation d’une étape de séparation boue/eau clarifiée.

Dans un système conventionnel toutes les étapes de procédés fondamentaux sont séparées en place (pas en temps). Alimentation et aération prennent place dans un bassin d’aération séparé (complètement mélangé, réacteur piston, carrousel, etc.), la sédimentation des boues activés prend place dans un bassin de sédimentation. Les eaux usées entrent dans le bioréacteur aéré et, après épuration biologique, s’écoulent sans boues, vers le point de décharge.

Pour éviter l’accumulation des boues activées tout en conservant une concentration de boues (= degré d’activité) suffisante dans le bassin d’aération, les boues sédimentées sont recyclées vers le bioréacteur (= recirculation des boues).

Pour compenser l’accroissement des boues une part des boues est cependant dirigée vers le stockage de boues. Les boues en surplus sont ensuite traitées et déshydratées. Si les boues en excès ne sont jamais purgées, elles sont perdues avec l’effluent dont la qualité est dégradée et ses caractéristiques deviennent hors normes.

Un schéma d’une station conventionnelle est donné dans Figure

Ce système présente plusieurs avantages : courants influent et effluent continus (capacité hydraulique minimale des tuyaux et pompes  coût d’investissement plus bas), niveau constant dans le réacteur (équipement fixe) et processus simple et robuste. Les désavantages sont l’encombrement (bassins séparés pour aération et sédimentation), les coûts de construction plus important et la flexibilité de procédé limitée (contrôle en place versus contrôle en temps).

procédé de traitement biologique aérobie

2012-08-30T17:14:00.001+01:00

Une station d’épuration conventionnelle est toujours constituée d’au minimum 2 procédés fondamentaux, séparé dans l’espace et/ou temps :

Alimentation et aération: Durant cette étape, l’eau usée est amenée directement en contact avec les boues actives (= alimentation) et l’oxygène nécessaire est ajouté dans le bioréacteur (= aération). Les composés organiques sont d’abord absorbés par les flocons de boue (= accumulation). Ensuite la réelle dégradation enzymatique prend place (= régénération). Le substrat biodégradable est ensuite supprimé/oxydé (consommation d’O2) sous des conditions contrôlées (pH, O2, température, nutriments, etc.). La biodégradation prend ensuite place dans les cellules bactériennes, par voie biochimique. Une partie du substrat est convertit en CO2 (libéré dans l’atmosphère), H2O et autres composés minéraux (= dissimilation), une autre partie est convertit en nouvelle matière cellulaire et réserves de carbone (= assimilation).
Sédimentation et décharge: Après aération, une zone/phase de relaxation est crée dans le bassin de sédimentation. Ici, les boues activées “plus lourdes” peuvent être séparées de l’eau traitée “plus légère” par gravité. Après sédimentation des boues, le surnageant (l’effluent clair) s’écoule vers le point de décharge.

Puisque la vraie biodégradation prend place lors de l’étape d’aération, le volume pris en compte pour ce procédé est appelé volume actif (= volume total – volume sédimentation).

De manière analogue, le volume pris en compte lors de l’étape de sédimentation est appelé volume passif. Ce procédé consiste seulement en une séparation entre les boues activées et l’eau. Le processus de biodégradation a déjà eu lieu durant les phases d’alimentation et d’aération.

Principe de la dégradation aérobie

2012-08-30T16:42:00.000+01:00

Une épuration biologique aérobie consiste à convertir le substrat présent dans l’eau usée en CO2, H2O et énergie grâce à l’oxygène et aux boues activées.

Assimilation - dissimilation:

Dissimilation: Réactions de production d’énergie. La matière organique de l’eau à traiter est convertie en CO2 et eau, et de l’énergie vital est libérée. Ce procédé est aussi appelé respiration du substrat.

Assimilation: Accroissement de la biomasse. La matière organique (principalement le carbone) est convertie en nouveau matériel cellulaire par dissimilation de l’énergie et des nutriments (N et P). Quand il n’y a pas ou plus de substrat disponible, la matière cellulaire est digérée/oxydée à son tour. Ce phénomène est appelé respiration endogène.

Les micro-organismes satisfont leur besoin en énergie en oxydant le substrat présent. Les molécules substrat représentent la force motrice derrière le métabolisme bactériologique, qui peut être divisé en deux parties :

En premier s’effectue le catabolisme ou dissimilation. Le substrat en contact avec les bactéries et l’oxygène est cassé et transformé en CO2 (relâché libre dans l’atmosphère) et en eau. L’énergie libérée pendant ce procédé est utilisée pour la production de nouvelles cellules. Lorsque le substrat manque les micro-organismes digèrent leur propres matériel cellulaire s’en servant de composés réserve (= respiration endogène).
La deuxième grande ligne du métabolisme bactériologique est l’anabolisme. Pour l’assimilation de nouveau tissue cellulaire et d’un nouveau stock de réserve de substrat carbone, les produits de la réaction de dissimilation sont utilisés. Il est bien évident que l’assimilation ne peut avoir lieu que si la dissimilation prend place auparavant. En conséquence du procédé d’assimilation, la concentration en boue augmente continuellement. C’est pour cette raison qu’il est essentiel de supprimer régulièrement une partie de ces boues en excès (surplus). Ce procédé est nommé « purge » ou « wasting ».

Traitement aérobie contre traitement anaérobie

2012-08-25T15:40:00.003+01:00

Les avantages et désavantages d’une station d’épuration aérobie, par rapport à un système anaérobie, sont soulignés ci dessous :

Avantages traitement aérobie:

- Température d’opération 0 et 40 °C. Chauffage pas nécessaire;

- Grande efficacité de suppression en DCO. Pas de post-traitement requis;

- Suppression biologique de N- et P- possible;

- Procédé très robuste;

- Temps de démarrage court (quelques semaines).

Désavantages traitement aérobie:
- Coût en énergie du fait de l’aération;
- Production de boue 4 à 5 fois plus importante que dans un système anaérobie;
- Volume des réacteurs plus grand comparés à ceux d’un traitement aérobie: Charge volumétrique plus petite, principalement du fait de la plus petite concentration en boue dans le réacteur (seulement valable pour des systèmes conventionnels ; MBR est aussi une technologie compacte)
- Pas de production de méthane qui peut pourtant être utilisé comme chaleur ou source d’énergie.
Les principaux paramètres et principes concernant le traitement aérobie biologique d’une eau usée sont expliqués dans les paragraphes suivants.