Le Traitement des eaux
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Traitements Biologiques

traitement biologique

Dans le traitement des eaux industrielles ou le traitement des eaux domestiques on utilise souvent les traitements biologiques afin d’éliminer les éléments organiques comme les graisses, sucres, protéines, etc. La dégradation de ces éléments organiques est assurée par des microorganismes (bactéries) qui consomment les matières organiques en présence d’oxygène (méthode aérobie) ou sans oxygène (méthode anaérobie).

L’eau traitée par des méthodes biologiques doit ensuite être retraitée par des méthodes de chloration, de filtration sur membrane, ou encore d’osmose inverse.

Les Traitements biologiques

Autoépuration : transformation naturelle d’une surcharge organique en biomasse (avec consommation d’O2).

Aérobie : réaction en présence d’oxygène (O2 > 1 mg/l) qui s’instaure spontanément dans les eaux aérées. Elle sert à dégrader la matière organique (C) en CO2, H2O et biomasse ou nitrifier l’azote (NH4+ en NO3-) ;

Les micro-organismes présents dans les eaux usées se développent lors du traitement grâce à la présence d’éléments nutritifs comme le carbone (le plus important), l’oxygène, l’azote, le phosphore. Il existe 2 voies :

Anaérobie : absence totale d’oxygène (O2 = 0 mg/l), en milieu réducteur (asphyxie totale). Elle sert à dégrader le carbone en CO2, CH4, H2S et biomasse (déphosphatation et digestion boues) ; les 2 familles ont besoin d’avoir chaud (25 °C) et d’un pH ni trop acide ou basique (pH » 7).

Anoxie : environnement pratiquement exempt d’oxygène (O2 libre = 0 mg/l) ; les bactéries sont « en apnée », elles consomment l’oxygène combiné aux nitrates (ce qui ne sera pas le cas en anaérobie).

Biomasse : masse totale des êtres vivants subsistant dans un milieu donné (essentiellement Corg). Formule très simplifiée C5H7NO2 ; une formule très simplifiée de la pollution organique est C10H19O3N.

Boues activées : suspension boueuse contenant la flore bactérienne épuratrice du bassin d’aération.

La croissance de la biomasse nécessite des apports nutritifs en carbone (DBO5), azote (NTK) et phosphore (Pt) dans la proportion de 100 / 5 / 1. Pour les eaux usées, le rapport C/N/P est de l’ordre de 100 / 20 / 3,75.

Elimination biologique de l’azote :

  • Ammonification : transformation de l’azote organique en NH4+ (processus automatique).
  • Assimilation : consommation lors de l’élimination du carbone, soit 5 % de la DBO5 éliminée en rapport avec le ratio C/N/P de 100/5/1 (» 20 mg/l d’azote de la forme NH4 assimilée).
  • Nitrification : oxydation de NH4+ en (NO2- puis) NO3- en milieu aérobie (forte oxygénation).
  • Dénitrification : respiration nitrates en milieu d’anoxie (bactéries utilisent l’oxygène des nitrates avec formation d’azote gazeux qui s’évapore).

La nitrification et la dénitrification sont contradictoires. Les procédés sont basés sur l’alternance spatiale (bassin d’anoxie en tête avec recirculation entre aération et anoxie de [150 à] 400 % du QEB avec temps de contact de 1 à 2 h) ou temporelle (bassin unique avec temps d’anoxie de 8 à 10 h/j) de phases d’aération et d’anoxie.

Principe du traitement biologique du phosphore : une bactérie mise en anaérobie (stress anaérobie) se met à consommer 4 fois plus de phosphate quand on lui redonne de l’oxygène (bassin d’aération). On distingue l’épuration biologique par cultures fixées (la biomasse se développent sur un support) et par cultures libres (la biomasse est maintenue en mélange intimes avec l’effluent dans un bassin d’aération).

Procédés biologiques – Epuration par cultures libres

Bassin d’aération : assure de manière homogène l’aération (apport d’oxygène) et le brassage (maintien en suspension les micro-organismes) des boues activées :

  • taux d’O2 dissous entre 0 et 2 mg/1 (5 à 10 mg/1, dans un cours d’eau) ;
  • les techniques sont : aération de surface (turbine) ou diffusion de bulles (insufflateur d’air) ;
  • en sortie, le puits de dégazage permet d’améliorer le fonctionnement du clarificateur.

Clarification : séparer l’eau épurée des boues (les boues sont recirculées vers le premier bassin ; les boues en excès étant dirigées vers la filière boues). La recirculation permet d’améliorer le rendement, optimiser l’activité biologique et maintenir une charge en boues constante. Le débit recirculé doit être au minimum égal au débit entrant (entre 1 et 2 QEB).

Caractéristiques de fonctionnement :

  • MVS (matières volatiles en suspension) + MM (matières minérales) = MS (matières sèches).
  • On estime que la concentration des boues activées est égale à celle des MVS ; elle peut donc être évaluée par le pesage (MVS = MS – MM) des MS (chauffage à 105 °C) et MM (à 550 °C).
  • Indice de boues (IB) : IB = [Résultat de la décantation de 30 mn (ml/l) x dilution] / MS (g/l) :

– IB < 100 : bonne aptitude des boues à la décantation,

– 100 < IB < 200 : aptitude passable des boues pour la décantation,

– IB > 200 : mauvais état de la boue pouvant évoluer vers une boue filamenteuse.

  • Charge volumique (Cv en kg DBO5/m3/j) : pollution journalière (kg DBO5/j) sur volume BA.
  • Charge massique (Cm en kg DBO5/j/kg MVS) : pollution journalière (kg DBO5/j) par masse de MVS dans BA (kg MVS obtenus en multipliant la concentration en MVS par le volume du BA).
  • Aération prolongée (ou faible charge) :

– Cm < 0,10 kg DBO5/j/kg MVS (MVS élevée par rapport à la pollution entrante) ;

– 0,20 < Cv < 0,36 kg DBO5/m3/j ;

– temps de séjour supérieur à 24 heures ;

– qualité des boues : minéralisée (quantité plus faible qu’en moyenne charge).

  • Moyenne et forte charge :

– 0,15 < Cm < 0,40 kg DBO5/j/kg MVS (MVS faible / pollution entrante) ;

– 0,60 < Cv < 1,5 kg DBO5/m3/j ;

– temps de séjour inférieur à 10 heures ;

– qualité des boues : peu minéralisée (stabilisation par digestion nécessaire).

  • Concentrations maximales de MS : de 7 g/l (aération prolongée) à 3 g/l (moyenne charge).

Quelques règles générales de fonctionnement :

  • Si charge de pollution excessive : l’effluent est mal épuré et nauséabond.
  • Si boues trop concentrées : le système est fragilisé et le rendement mauvais.
  • Boues noires et malodorantes : défaut d’oxygénation, concentration trop forte en boues, effluent septique.
  • Mauvaises conditions de pH, température ou oxygène : risques de production importante de mousses en surface du bassin (témoins du mauvais fonctionnement du système).
  • Veiller à un bon équilibre entre : concentration des boues et charge de pollution dans bassin.
  • Mousses marrons : présence probable de bactéries filamenteuses (enlever les mousses).
  • Mousses blanchâtres : souvent, trop de boues ont été extraites ; parfois, présence de détergent.

Procédés biologiques – Epuration par cultures fixées

Trois procédés sont utilisés en cultures fixées : lit bactérien (schéma ci-dessous), biodisques et lit immergé.

cultures fixées

Décanteur-digesteur : 2 fonctions : l’élimination des matières décantables (zone de décantation pour limiter le risque de colmatage) et la digestion des matières organiques (zone de digestion des boues).

Lit bactérien : ouvrage entre 2 et 3 m de hauteur rempli par un matériau (pouzzolane) présentant de nombreux vides dans lesquels les bactéries se développent. L’effluent est réparti uniformément à la surface du lit par un tourniquet hydraulique. La circulation d’air se fait de façon naturelle.

Deux paramètres permettent de définir les conditions de fonctionnement d’un lit bactérien :

  • Charge hydraulique (Ch en m/h) : débit passant sur 1 m2 de surface du lit bactérien (Q/S).
  • Charge volumique (Cv par m3 de lit) : entre 0,2 et 0,7 kg DBO5/m3/j.

Quelques règles générales de fonctionnement des lits bactériens :

  • Une zooglée épaisse, de couleur verte foncée, caractérise un bon fonctionnement.
  • Si flaques d’eau en surface, le lit peut être colmaté ou la charge organique est trop forte.
  • Si lit sent mauvais : la recirculation est insuffisante ou le lit est colmaté.
  • Si le film bactérien se décroche, la charge hydraulique est trop forte et provoque un lessivage.

Eléments pour le dimensionnement des lits bactériens :

  • Charge hydraulique conseillée (Q / S) : entre 2 et 4 m/h (débit par m2 de filtre).
  • Charge volumique moyenne (par m3 de filtre) : 3 et 8 kg de DCO/m3/j.
  • Production de boues biologiques P (en kg/j) : P = 0,8 kg MES/j + 0,2 kg DCOS/j + 0,2 kg NN/j :

– DCOS : quantité de DCO soluble et NN : quantité d’azote à nitrifier.

  • Les besoins en air sont de l’ordre de 50 Nm3 par kg de DCO et de 250 Nm3 par kg de NH4.
  • Les besoins journaliers en air (en Nm3/j) sont : (1,5 / [h – 0,3]) x (37,5 DCOS + 10 DCOP) :

– h : hauteur du matériau en m,

– DCOS : DCO soluble éliminée en kg/j,

– DCOP : DCO particulaire éliminée en kg/j (DCOP = DCOtotale – DCOS).

  • Autre formule pour les besoins en air : 0,85 (35 DCO + 13 MES).

 

Lagunages naturels

  • surface : 11 à 12 m2/EH (soit 1,1 à 1,2 ha pour 1 000 EH) ;
  • lagune 1 : profondeur max. 1,5 m (surprofondeur) ; 1-1,1 m (reste bassin) ; superficie : 6 à 7 m2/EH ;
  • lagunes 2 et 3 : profondeur maximale 1,1 m ; superficie de chacune : 2,5 m2/EH ;
  • temps de séjour moyen de l’effluent : 2 à 3 mois.