Le procede dit ≪ a boues activees  ≫ utilise l' epuration biologique dans le traitement des eaux usees . C'est un mode d’epuration par cultures libres. Dans une filiere de traitement des eaux ( i.e. les differentes phases d'epuration pour une station donnee), le procede a boues activees fait partie des traitements secondaires.

Historique [ modifier | modifier le code ]

Ce procede provient de l'etude realisee a Manchester par Arden et Lockett ^{[ 1 ]} . Ils mettront au point la technique d'abord dans un seul bassin, puis par la suite l'amelioreront par l'ajout d'autres bassins et etapes.

Depuis, les chercheurs travaillent a l’amelioration des stations d’epurations a boues activees, notamment en creant des modelisations des reactions qui se produisent lors du traitement ^{[ 2 ]} . Leurs travaux (a l'echelle internationale) ont notamment permis la parution d'un guide d’utilisation des modeles de fonctionnement des stations d’epuration a boues activees ^{[ 3 ]} ainsi que la mise au point de nouvelles innovations ^{[ 4 ]} .

Principe [ modifier | modifier le code ]

Le principe est de faire degrader la matiere organique (en suspension ou dissoute dans les eaux usees) principalement par des bacteries (dont bacteries filamenteuses ), qui seront elles-memes mangees par des microorganismes ( protozoaires ^{[ 5 ]} , principalement des cilies ^{[ 6 ]} , en partie responsables de la floculation et source de clarification progressive de l'eau).

Le brassage permanent du milieu permet un meilleur acces des bacteries aux particules et une aeration importante necessaire a la perennite du systeme de biodegradation (seule la pollution biodegradable peut etre ainsi traitee). Il est suivi d'une decantation a partir de laquelle on renvoie les boues riches en bacteries vers le bassin d'aeration.

≪ Les bacteries filamenteuses relient les flocs entre eux et augmentent le rapport surface/volume, ce qui favorise la flottaison. La capacite de decantation des flocs est donc plus faible. Ce phenomene, appele "bulking" provoque egalement des mousses brunes. ≫ ^{[ 7 ]} . Quand ces mousses sont presentes en moins grand nombre ou absentes, les flocs bacteriens sont plus petits et la turbidite plus elevee ^{[ 8 ] , [ 9 ]} .

Le procede a boues activees a quatre objectifs ^{[ 10 ]} :

• eliminer la pollution carbonee (matieres organiques) ;
• eliminer une partie de la pollution azotee ;
• fixer le phosphore dans la matiere decantee ;
• stabiliser les boues (procede dit d'≪ aeration prolongee ≫ ou ≪  digestion aerobie  ≫).

Domaine d'application [ modifier | modifier le code ]

La technique des boues activees est appropriee pour des eaux usees domestiques d'agglomerations a partir d'environ 400 equivalent-habitants, jusqu'aux plus grandes villes. Elle existe neanmoins pour des installations individuelles, quoique le procede ne soit pas assez eprouve. Les effluents industriels ou agroalimentaires sont tres variables, et peuvent selon les cas etre traites par ce processus, avec souvent une adaptation a leur nature et caracteristiques.

Elements d'une station a boues activees [ modifier | modifier le code ]

Un procede a boues activees visant a eliminer les matieres organiques (pollution carbonee, parfois azotee et/ou phosphate) comprend les elements suivants :

• bassin d'aeration : une a quatre phases sont realisees dans ce bassin, selon le type et le niveau de traitement souhaite :
  • Dans tous les cas, un bassin avec apport d'air (turbine ou diffusion de micro bulles) de maniere a obtenir une teneur en oxygene dissous suffisante pour l'activite biologique afin de permettre l'elimination du carbone et, si besoin, la nitrification des composes azotes.
  • Dans le cas du traitement de l'azote, une ou deux etapes anoxiques permettant de denitrifier les composes azotes.
  • Dans le cas du traitement du phosphore par voie biologique, une etape anaerobique (generalement en amont de tous les autres bassins).
  • Dans le cas du traitement de l'azote, une recirculation des boues mixtes du bassin aere vers le 1 ^er  bassin anoxique.

• bassin de decantation secondaire (dit aussi clarificateur) : l'eau epuree est evacuee par ≪  surverse  ≫ dans le milieu naturel (sauf traitement tertiaire).

Les boues quant a elles, produites dans le premier bassin, decantent naturellement et sont renvoyees en plus grande partie vers le bassin d'aeration (recirculation), tandis que la partie excedentaire est dirigee vers un circuit de deshydratation ou un stockage specifique.

Action des microorganismes [ modifier | modifier le code ]

La boue activee est composee essentiellement de microorganismes heterotrophes qui ont degrade les matieres organiques, et des produits de degradation, dont les matieres azotees, degradees en nitrates. L'introduction d' oxygene par aeration est donc indispensable a leur action. Les microorganismes sont maintenus en melange intime avec l’eau a traiter et ainsi entrent constamment en contact avec les polluants organiques des eaux residuaires.

La degradation eventuelle du nitrate (en diazote ), appelee denitrification , peut etre provoquee en placant les boues en conditions anoxiques (presence de nitrate, absence d'oxygene), soit par phase dans le bassin d'aeration (celle-ci etant interrompue) soit dans un bassin non aere, nomme bassin d'anoxie. Cette degradation est faite par des bacteries specifiques.

La reproduction des microorganismes intervient en conditions favorables, lorsque leur croissance est importante et que les bacteries se mettent a se diviser. Les exopolymeres qu'elles secretent leur permettent de s'agglomerer en flocs decantables (c’est la floculation ). Les conditions d'operation choisies sont celles qui favorisent la decantation de ces flocs. Afin de maintenir une biomasse bacterienne suffisante, la boue est recyclee par pompage dans le bassin de decantation secondaire (la boue extraite est mise en re-circulation vers le bassin de traitement aerobie ). Une part du travail de gestion et de dimensionnement d'un systeme a boues activees consiste a gerer cette biomasse. Celle-ci peut etre rendue insuffisante par une recirculation trop faible, une intoxication des bacteries par une pollution massive, une trop forte arrivee d'eau (phenomene de rincage), ou bien a la mise ou remise en service, qui implique une mise en charge progressive.

Bassins d'aeration [ modifier | modifier le code ]

L'aeration des eaux residuaires a lieu dans les bassins contenant les boues activees, qui ont une forme appropriee en fonction du systeme d'aeration, du mode d'introduction des eaux et de la boue activee. On appelle ces bassins : bassins d'aeration , bassins a boues activees ou encore bassins d’ oxydation . L'aeration peut etre assuree en surface par des turbines d'aeration de type lentes, ou dans le fond par des procedes de rampe de distribution de bulles d'air alimentees par un surpresseur ou par un compresseur d'air. Les rampes de distribution sont completees par des diffuseurs d'air dites grosses bulles ou fines bulles, suivant l' efficacite recherchee. Le rendement de transfert d'air dans l'eau peut etre ameliore par l'augmentation de la hauteur d'eau (uniquement pour les rampes de distribution).

Les besoins journaliers en oxygene sont en rapport avec la charge organique journaliere et son mode de degradation, ainsi que la quantite d' azote a nitrifier . Bien que la degradation de la pollution carbonee s'arrete lors du cycle de Krebs , il faut reoxyder les molecules transporteuses d'hydrogene de ce cycle via la respiration (cette voie capte son electron en reoxydant ces molecules). Or la respiration necessite un accepteur d'electrons, soit un substrat respirable oxyde tel que l'oxygene. Finalement, l'oxygene apporte est utilise dans la voie de la respiration pour produire de l'energie, voie qui va realimenter le cycle de Krebs, permettant ainsi une degradation continue de la matiere organique. Lors de la denitrification, c'est l'oxygene des nitrates qui est utilise. Ainsi, les besoins en oxygene sont calcules a partir des besoins des chaines respiratoires bacteriennes et des besoins pour la nitrification. La quantite a apporter en oxygene correspond alors a ces besoins moins l'economie faite lors de la respiration des nitrates. Les besoins en oxygene different donc de la quantite a apporter.

Pour la respiration, on en distingue deux types :

• la respiration exogene, celle qui degrade la pollution : a × flux de DBO ₅
• la respiration endogene, pour la respiration des organites cellulaires : b × quantite de biomasse

a et b etant des coefficients fonction de la charge massique.

Ainsi, les besoins en oxygene pour la respiration sont : a × flux de DBO ₅ + b × quantite de biomasse.

• Besoins pour nitrification : 4,18 × (NTK _entre ? 0,05 × DB0 ₅ )
• Besoins totaux en oxygene = a × flux de DBO ₅ + b × quantite de biomasse + 4,18 × (NTK _entre ? 0,05 * DB0 ₅ )
• Economie par denitrification = 2,86 * (NTK _entre ? 0,05 × DB0 ₅ ) × 0,7 (NB : 70 % d'efficacite) = Q ₀₂ a apporter

Le choix du systeme d'aeration est important car ce poste represente entre 60-80 % de la consommation d'energie d'une station d'epuration. Les systemes d'aeration peuvent se subdiviser en deux grandes classes. Il y a les systemes qui aerent en surface et les systemes qui aerent l'eau par bullage, donc installes sous le niveau de l'eau. Dans les systemes en surface, il y a les systemes mecaniques lents et les systemes mecaniques rapides. Les systemes mecaniques rapides sont peu utilises en stations municipales car peu efficaces en termes de rendement energetique. Les systemes lents comprennent les aerateurs a arbres verticaux (aussi appelees turbines lentes) et les aerateurs a arbres horizontaux (appeles brosse). Pour de tres petits bassins, ces brosses ont l'avantage de bien propulser l'eau, par contre leur rendement est +/-10 % inferieur aux turbines lentes de grand diametre.

De tous les systemes d’aeration de surface, les aerateurs lents a arbres verticaux sont les plus utilises car ils ont le meilleur rendement d’oxygenation, la plus haute capacite d’oxygenation par unite et la meilleure capacite de brassage pour de grands bassins.

Les systemes immergees comprennent de nombreux systemes mais le plus utilises sont a fines bulles. Il est interessant de noter que de nouveaux systemes par diffusion d'air (par opposition aux bullage classique) promettent d'excellents rendements energetiques.

En comparant les systemes les plus couramment utilises, a savoir turbines lentes et fines bulles, les aerateurs de surface a arbres verticaux de type lent (turbines lentes) ont de multiples avantages. Leur maintenance est negligeable alors que les aerateurs a fines bulles doivent imperativement etre nettoyes. La duree de vie des turbines lentes est nettement plus elevee et leur fiabilite largement superieure. Par contre, leur rendement mesure suivant la norme EN 12255-15 donne de meilleurs resultats pour les fines bulles. Cette norme permet de mesurer et donc de comparer l'efficacite des systemes en conditions standard donc a 20 °C, 1013 mbar et avec de l'eau clair (potable). Pour avoir une bonne image de la facture energetique, il faut integrer le facteur alpha. Ce facteur est le rapport entre le Kla (coefficient de transfert d'oxygene) en eaux usees et le Kla en eaux claires. Ce facteur alpha qui depend de l'eau est tres different quand on aere en surface ou sous l'eau. Il est nettement favorable aux aerateurs de surface (de l'ordre de 0,9 pour les aerateurs de surface) alors qu'il n'est que de ± 0,6 pour les systemes fines bulles (valeur pour des eaux usees urbaines). De plus, les aerateurs de surface ne necessitent generalement pas de melangeur alors que le rendement energetique d'un systeme d'aeration doit reprendre tous les accessoires utilises pour l'aeration. Sur des periodes d’exploitation donnees, on peut constater que la consommation energetique des aerateurs de surface de type lent (grand diametre) est similaire aux fines bulles toute autre chose etant egale par ailleurs. Cela a ete mis en evidence notamment aux Pays-Bas ou les deux systemes sont installes sur des compteurs d'energie de maniere systematique. D’autres criteres sont egalement importants a prendre en consideration tels que le bruit, les aerosols et les accessoires indispensables a un systeme d’aeration. Les aerateurs de surface de type lent peuvent etre entierement recouverts de maniere a supprimer toute nuisance. Pour les fines bulles, c’est le suppresseur qui doit etre capote et mis dans un batiment avec eventuellement des filtres a air. L'aeration de surface requiert moins de batiment et nettement moins de travaux sur chantier ce qui limite l' energie grise . A noter egalement que des societes mettent sur le marche des aerateurs solaires sans connexion au reseau electrique et sans batterie. Ces machines sont destinees aux lagunes et c'est alors la lagune qui fait office de stockage court terme d'energie sous forme de d'oxygene dissous.

Elements sommaires de dimensionnement [ modifier | modifier le code ]

Donnees concernant l'effluent [ modifier | modifier le code ]

• Volume produit par equivalent-habitant (eqh) : environ 150 L/jour en France (a titre de comparaison, elle est de plus de 400 L/j aux Etats-Unis et au Canada)
• Charge organique par eqh : environ 45 a 60  g de DBO5 /j en France. La valeur utilisee en France est 60  g /j de DBO5 pour un eqh, cette valeur est fixee par l'article R.2224-6 du code des collectivites territoriales. D'un point de vue juridique, dans tous les textes de l'Union Europeenne, la valeur retenue de l'eqh est de 60  g /j de DBO5.
• DCO (Demande Chimique en Oxygene) par eqh : 120  g [DCO]/j en France
• Azote produit par eqh : 15  g [N]/j en France
• Matieres en suspension par eqh : 90  g [MES]/j en France
• Phosphore par eqh : environ 1,5  g [P]/j en France en 2008
• le nombre d'habitants de la zone
• le debit journalier en m ³ /h
• le debit de pointe en m ³ /h

Dimensionnement [ modifier | modifier le code ]

• Temps de sejour dans le bassin d'aeration : 8 a 50 heures
• Temps de sejour dans le clarificateur : 5 a 10 heures
• Puissance installee d'aeration :
• Volume du bassin d'aeration par equivalent-habitant (eqh) : environ 0,2  m ³
• Volume du clarificateur par eqh : environ 0.05 a 0,1  m ³ (50 a 100   L )
• Recirculation des boues (du bassin de decantation vers le bassin d'aeration) : 5 a 10 % des boues sont extraites du circuit chaque jour, soit un ≪ age des boues ≫ de 10 a 20 jours, a partir du bassin d'aeration ou de decantation, en fonction de leur concentration dans le bassin d'aeration et de la quantite presente dans le bassin de decantation.
• Production de boue par eqh et par jour : 30 a 60  g de matiere seche par jour soit 1 a 3  litres de boues non epaissies.
• Dans le reacteur biologique (ou bassin d'aeration) la biomasse doit etre approximativement egale a 10 fois la quantite de matiere organique entrante chaque jour.

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

3. Cinetique des boues activees (Y. Heymann, 2010)

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

• Ecologie
• Environnement
• Boues d'epuration
• Observatoire de l'eau
• Microstation d'epuration

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• Dossier "Pollution aquatique : rendre l'eau propre a la nature" de l' Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (IRSTEA)
• Article sur les processus utilises par les bacteries pour traiter les eaux usees (IRSTEA)
• Devenir des boues (IRSTEA)
• Photo de turbines d'oxygenations dte-assainissement.com

Bibliographie [ modifier | modifier le code ]

• Amir S (2005) Contribution a la valorisation de boues de stations d'epuration par compostage: devenir des micropolluants metalliques et organiques et bilan humique du compost (Doctoral dissertation, INPT).
• Bennouna, M., & Kehal, S. (2001). Production de Methane a Partir des Boues des Stations d’Epuration des Eaux Usees: Potentiel Existant en Algerie . Numero Special Biomasse Production et Valorisation Alger, 18-22.
• Canler, J. P., Canler, J. P., Perret, J. M., Duchene, P., Cotteux, E., & Cotteux, E. (2011) Aide au diagnostic des stations d'epuration par l'observation microscopique des boues activees . Editions Quae ( presentation par Google livres ).
• Guibaud, G., Baudu, M., Dollet, P., Condat, M. L., & Dagot, C. (1999). Role des polymeres extracellulaires dans l'adsorption du Cadmium par les boues activees (Role of Extracellular Polymers in Cadmium Adsorption by Activated Sludges) . Environmental technology, 20(10), 1045-1054 ( resume ).
• Plagellat C (2004). Origines et flux de biocides et de filtres UV dans les stations d'epuration des eaux usees  : These de doctorat en chimie, Ecole polytechnique federale de Lausanne |PDF| 244 p.

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