Boues activées
Les procédés à boues activées sont une partie d’un système complexe de traitement des eaux usées (U.S. EPA 2002) . Ils sont généralement utilisés après un traitement primaire ( y compris un dégrillage qui élimine les solides décantables) , comprennent une ou plusieurs chambres de traitement aérées principales, des dispositifs d’aération, un dispositif de mélange approprié pour maintenir les boues en suspension, un clarificateur secondaire pour séparer la biomasse de l’effluent traité et recueillir la biomasse décantée, généralement un régime de circulation non linéaire et très complexe (par exemple, boucles de recirculation, by-pass, etc.) et sont parfois suivis d’une étape de polissage final (voir filtration tertiaire et désinfection). Les processus biologiques qui se produisent sont efficaces pour éliminer les matières solubles, colloïdales et particulaires. Le réacteur peut être conçu pour la nitrification et la dénitrification biologiques, ainsi que pour l’élimination biologique du phosphore.
La conception doit être basée sur une estimation précise de la composition et du volume des eaux usées. L’efficacité du traitement peut être gravement compromise si la station est sous-dimensionnée ou surdimensionnée. En fonction de la température, le temps de rétention des solides (SRT) dans le réacteur varie de 3 à 5 jours pour l’élimination de la DBO, à 3 à 18 jours pour la nitrification.
L’excès de boues nécessite un traitement pour réduire sa teneur en eau et en matières organiques et obtenir un produit stabilisé adapté à l’utilisation finale ou à l’élimination finale. Il est important de considérer cette étape dans la phase de planification de la station d’épuration).
De grandes quantités d’oxygène injecté permettent de maintenir des conditions aérobies et de mélanger de manière optimale la biomasse active avec les eaux usées à traiter. Pour maintenir une quantité relativement élevée de micro-organismes actifs utiles à l’élimination des substances organiques des eaux usées, les boues sont séparées de l’effluent par décantation dans un clarificateur secondaire (PNUE 2004) ou par filtration sur membrane et maintenues dans le procédé par recirculation vers le bassin d’aération. Plusieurs modifications de ce procédé de base ont été développées, y compris différents dispositifs d’aération, différents moyens de collecte des boues et de recyclage vers le bassin d’aération ou le clarificateur primaire, et l’amélioration du procédé par l’ajout d’une zone de milieu inerte sur laquelle le biofilm peut se développer (procédé combiné film fixe/croissance en suspension).
Bien que les bactéries aérobies soient les microorganismes les plus dominants dans le procédé, d’autres bactéries aérobies, anaérobies et/ou nitrifiantes ainsi que des organismes supérieurs peuvent être présents. Ainsi, outre l’élimination de la matière organique, les nutriments (ammoniac organique, phosphore) peuvent également être éliminés biologiquement par nitrification/dénitrification et absorption biologique du phosphore. La composition exacte des microorganismes dépend de la conception du réacteur, de l’environnement et des caractéristiques des eaux usées (TILLEY et al. 2008). Pour obtenir des conditions optimales pour l’élimination des matières organiques et des nutriments, une série de chambres aérobies et anaérobies sont utilisées.
Processus de traitement détaillé
Après le criblage, le sable et les particules lourdes similaires sont retirés ensuite dans une chambre à sable où ils se déposent sur le sol. Cette chambre ne vise qu’à éliminer les gros grains et les eaux usées n’y passent qu’une période relativement courte (quelques minutes) (UNEP &MURDOCH 2004). Les matières solides plus petites sont éliminées dans un bassin de décantation ou de sédimentation. Dans cette unité, les eaux usées passent plus de temps (environ une heure) pour permettre une bonne séparation. Les boues issues de ce traitement primaire mécanique (y compris le dégrillage et la décantation dans le dessableur et le bassin de sédimentation) sont appelées boues primaires et, comme toutes les boues excédentaires, nécessitent une chaîne de traitement supplémentaire avancée.
Après ce traitement primaire, suit l’unité principale contenant les boues activées. Les eaux usées prétraitées sont mélangées avec les boues activées concentrées de sous-flux du décanteur secondaire dans un bassin aéré. L’aération est assurée soit par des agitateurs mécaniques de surface, soit par des diffuseurs immergés d’air comprimé (WSP 2008). L’aération fournit de l’oxygène aux boues activées et en même temps mélange complètement les boues et les eaux usées (UNEP & MURDOCH 2004). Pendant l’aération et le mélange, les bactéries forment de petites grappes ou flocs (TILLEY et al. 2008). Dans ces conditions, les bactéries présentes dans les boues activées dégradent les substances organiques présentes dans les eaux usées. Elles utilisent la substance organique pour l’énergie, la croissance et la reproduction. Les produits finaux sont le dioxyde de carbone (CO2), l’eau (H2O) et de nouvelles cellules.
Après quelques heures dans la chambre d’aération, le mélange entre ensuite dans le bassin de décantation secondaire (clarificateur), où les micro-organismes floculés se déposent et sont éliminés du flux d’effluents. Les micro-organismes décantés (les boues activées) sont ensuite recyclés à la tête du bassin d’aération pour être à nouveau mélangés aux eaux usées et continuer à croître et à former de nouvelles boues et à dégrader les matières organiques. Pour maintenir une quantité optimale de boues dans le système, le taux de recirculation des boues décantées varie de 20 à 100%. Les boues excédentaires produites chaque jour (boues activées résiduelles) doivent être traitées dans une autre chaîne de traitement avec les boues des installations de traitement primaire. Une chaîne de traitement classique des boues excédentaires comprend la digestion anaérobie, l’épaississement, l’incinération et l’élimination sûre, par exemple dans une décharge. Une manière plus durable serait de composter les boues (avant ou au lieu de la digestion) afin de réutiliser les nutriments dans l’agriculture.
Les temps de rétention hydraulique dans l’ensemble des systèmes vont de quelques heures à plusieurs jours pour la phase liquide. Le traitement des boues en excès peut prendre un peu plus de temps selon le type d’épaississement et de digestion anaérobie appliqué. L’effluent d’une station à boues activées correctement conçue et exploitée est de haute qualité, ayant généralement des concentrations de DBO et de MES égales ou inférieures à 10 mg/L (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). L’élimination de la demande biologique en oxygène (DBO) et des matières en suspension (MES) se situe généralement entre 80 et 100% selon les concentrations de l’influent, la configuration du système et la température (UNEP 2004 ; SANIMAS 2005 ; WSP 2008).
Les nutriments tels que l’azote et le phosphore sont également éliminés dans le processus de boues activées mais nécessitent une configuration de différentes chambres aérées et non aérées dans les systèmes hybrides de boues activées. L’élimination biologique de l’azote est d’abord réalisée par la transformation de l’azote organique en ammoniac, suivie de la conversion aérobie de l’ammoniac (NH4+) en nitrite (NO2-) puis en nitrate (NO3-) et de la transformation anaérobie du nitrate en azote gazeux (N2), qui est ensuite libéré dans l’atmosphère. La transformation de l’ammoniac en nitrate via une étape intermédiaire de nitrite est appelée nitrification. La transformation du nitrate en azote gazeux est appelée dénitrification. Ainsi, une combinaison des deux processus, aérobie et anaérobie (anoxie), est nécessaire pour parvenir à l’élimination complète de l’azote des eaux usées. Dans de nombreux systèmes de traitement par boues activées, un bassin anaérobie est soit intégré après le bassin aéré et avant la clarification (post-dénitrification) ; soit juste avant le bassin aéré (pré-dénitrification). Dans le cas de la pré-dénitrification, la nitrification a lieu dans le bassin aéré après le pré-bassin aérobie. La dénitrification ne se produit que lorsque l’effluent du bassin aéré, contenant des nitrites, est remis en circulation comme les boues.
L’élimination du phosphore dans les systèmes à boues activées peut se faire chimiquement ou biologiquement. L’élimination biologique du phosphore dans le système conventionnel de traitement des eaux usées se fait par l’absorption du phosphore par certaines cellules bactériennes. Toutefois, cette méthode ne permet d’éliminer que peu de phosphore, car la fraction massique du phosphore dans les boues volatiles n’est que d’environ 2,5 % (HAANDEL&LUBBE 2007). Il en résulte une concentration d’effluents d’environ 2 à 7 mg P/L pour les eaux usées municipales avec une concentration de DCO de 500 mg/L (HAANDEL&LUBBE 2007). Cependant, il sera en général nécessaire d’abaisser la concentration en phosphore de l’effluent à une valeur ≤ 1 mg P/L.
Un autre procédé biologique est l’élimination biologique renforcée du phosphore. L’élimination biologique améliorée du phosphore est basée sur la culture de certaines bactéries spéciales accumulant le phosphore, qui, par rapport à 2,5 % de P dans les boues activées conventionnelles, peuvent conduire à une accumulation de P jusqu’à 38 % dans les boues (HAANDEL&LUBBE 2007).
Lorsqu’il faut éliminer à la fois l’azote et le phosphore, la combinaison devient encore plus complexe. L’amélioration de l’élimination biologique du phosphore nécessite généralement une étape anaérobie (pour la culture des OAP), une étape anoxique (pour la dénitrification) et une étape aérobie (pour la nitrification et l’accumulation du phosphore) en série.
De nos jours, les systèmes à boues activées, où les nutriments précieux (phosphore et azote) et la matière organique sont incinérés au lieu d’être remis en circulation pour la production alimentaire en agriculture ne sont plus perçus comme durables. L’introduction de l’élimination de l’azote dans une station à boues activées augmente considérablement le volume du réacteur et entraîne une augmentation de la consommation d’énergie d’environ 60 à 80% pour l’aération (MAURER 2003). L’élimination du phosphore nécessite soit l’ajout de produits chimiques et l’élimination ultérieure des boues inorganiques, soit une augmentation de la complexité et du volume du réacteur pour une élimination biologique renforcée du phosphore.
Pour atteindre des objectifs spécifiques d’effluents pour la DBO, l’azote et le phosphore, différentes adaptations et modifications ont été apportées à la conception de base des boues activées. Les modifications bien connues comprennent les réacteurs discontinus de séquençage (SBR), les fossés d’oxydation, les puits profonds, l’aération prolongée, les lits mobiles et les bioréacteurs à membrane.
Réacteurs discontinus séquentiels (SBR)
Le procédé peut être exploité par lots, où les différentes conditions sont toutes réalisées dans le même réacteur mais à des moments différents (UNEP & MURDOCH 2004). Le traitement consiste en un cycle de cinq étapes : remplissage, réaction, décantation, tirage et mise au repos. Pendant le type de réaction, l’oxygène est ajouté par un système d’aération. Pendant cette phase, les bactéries oxydent la matière organique comme dans les systèmes à boues activées. Ensuite, l’aération est arrêtée pour permettre à la boue de se décanter. Dans l’étape suivante, l’eau et les boues sont séparées par décantation et la couche claire (surnageant) est évacuée de la chambre de réaction (METCALF & EDDY 2007). En fonction du taux de production de boues, une partie des boues peut également être purgée. Après une phase d’inactivité, le réservoir est rempli avec un nouveau lot d’eaux usées (UNEP & MURDOCH 2004). Au moins deux réservoirs sont nécessaires pour le mode de fonctionnement par lots, car l’influent continu doit être stocké pendant la phase de fonctionnement. Les (très) petits systèmes (par exemple, ceux qui desservent de petites agglomérations) peuvent n’utiliser qu’un seul réservoir. Dans ce cas, l’influent doit être soit retenu dans un bassin, soit déchargé en continu au fond du réservoir afin de ne pas perturber les phases de décantation, de tirage et de ralenti. Les SBR sont adaptés aux faibles débits car la taille de chaque réservoir est déterminée par le volume d’eaux usées produit pendant la période de traitement dans l’autre réservoir (UNEP & MURDOCH 2004). Pour plus d’informations sur les systèmes de boues activées SBR, veuillez consulter WSP (2007) ou U.S. EPA (1999).
Fossés d’oxydation
Les fossés d’oxydation sont de grands fossés ronds ou ovales (réacteurs à canaux) avec un ou plusieurs aérateurs horizontaux pour garantir l’apport d’oxygène, et pour mélanger et déplacer le contenu autour du fossé. L’influent dégrillé entre dans le fossé d’oxydation, est aéré et circule à environ 0,25 à 0,35 m/s (SANIMAS 2005). Le fonctionnement peut être continu ou intermittent. La sédimentation primaire n’est généralement pas nécessaire, mais des bassins de sédimentation secondaire sont généralement utilisés. Le volume de traitement requis par habitant est d’environ 1 m³ (SANIMAS 2005). Les fossés d’oxydation sont adaptés aux zones où la disponibilité des terres est élevée. Ils ont l’avantage d’être relativement faciles à entretenir et de résister aux charges de choc qui se produisent souvent dans les petites communautés (par exemple, à l’heure du petit déjeuner et en soirée). Le temps de rétention hydraulique typique est de 24 à 48 heures avec un âge des boues de 12 à 20 jours (Wikipedia 2010). Pour plus d’informations sur les fossés d’oxydation, veuillez vous référer à U.S. EPA (2000), WSP (2007) ou WSP (2008).
Fosses profondes
Lorsque les terres sont rares, les eaux usées peuvent être traitées par injection d’oxygène dans un flux de boues de retour sous pression, qui est injecté dans la base d’une cuve colonnaire profonde enterrée dans le sol. Ce type de réacteur à boues activées est appelé puits profond. Ces puits peuvent avoir jusqu’à 100 m de profondeur. Lorsque les eaux usées montent, l’oxygène mis en solution par la pression à la base du puits se libère sous forme d’oxygène moléculaire. Cela fournit une source d’oxygène très efficace pour les micro-organismes contenus dans les boues activées. L’oxygène ascendant et les boues de retour injectées fournissent le mécanisme physique du mélange. Les boues mélangées et l’influent des eaux usées sont décantés à la surface et séparés en composants surnageant et boue. L’efficacité du traitement par puits profond peut être élevée mais ils nécessitent des professionnels qualifiés pour la construction, l’exploitation et la maintenance ; et en plus une grande quantité d’énergie (adapté de Wikipedia (2012)).
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