Le traitement biologique des eaux usées
3.3 Le traitement secondaire ou traitement biologique
Les traitements biologiques s’apparentent aux procédés de dégradation naturelle, mais de façon plus intensive.
Deux voies sont possibles pour dépolluer les effluents organiques biodégradables :
Elle est réalisée en milieu réducteur, où le carbone organique est transformé en CH4 et en de la biomasse.
Ce processus est réalisé par les bactéries anaérobies. Vu que les eaux domestiques usées sont faiblement polluées, l’anaérobie n’est pas souvent utilisée en station d’épuration urbaine. Un traitement aérobie convient amplement.
Le traitement anaérobie sera quant à lui utilisé dans certains effluents industriels très chargés en pollution organique. Par la suite, je ne parlerai donc que du traitement aérobie.
– La voie aérobie
Cette voie est celle qui s’instaure spontanément dans les eaux suffisamment aérées, le carbone organique y est dégradé par la respiration bactérienne. La réaction de respiration bactérienne peut être résumée ci-après :
Matières Organiques + O2 CO2 + H2O + Biomasse
La voie aérobie peut se réaliser par des traitements « conventionnels » ou par des traitements « extensifs ».( S.Vandermeersch,2006)
Le traitement biologique des eaux usées
3.3.1 Les traitements conventionnels
Les techniques les plus développées au niveau des stations d’épuration urbaines sont des procédés biologiques intensifs.
Le principe de ces procédés est de localiser sur des surfaces réduites et d’intensifier les phénomènes de transformation et de destruction des matières organiques que l’on peut observer dans le milieu naturel. Deux types d’installation sont utilisés :
Les installations à «cultures fixées», d’où on distingue différents types de supports pour les cultures bactériennes : les disques biologiques et lits bactériens.
a) Disques biologiques
C’est une technique faisant appel aux cultures fixées est constituée par les disques biologiques tournants où se développent les micro-organismes et forment un film biologique épurateur à la surface des disques.
Les disques étant semi immergés, leur rotation permet l’oxygénation de la biomasse fixée. (F. MEKHALIF,2009)
b) Lits bactériens
Le principe de fonctionnement d’un lit bactérien consiste à faire ruisseler les eaux usées, préalablement décantées sur une masse de matériaux poreux ou caverneux qui sert de support aux micro-organismes (bactéries) épurateurs.
Une aération est pratiquée soit par tirage naturel soit par ventilation forcée. Il s’agit d’apporter l’oxygène nécessaire au maintien des bactéries aérobies en bon état de fonctionnement.
Les matières polluantes contenues dans l’eau et l’oxygène de l’air diffusent, à contrecourant, à travers le film biologique jusqu’aux micro-organismes assimilateurs.
Le film biologique comporte des bactéries aérobies à la surface et des bactéries anaérobies près du fond. Les sous-produits et le gaz carbonique produits par l’épuration s’évacuent dans les fluides liquides et gazeux. Le rendement maximum de cette technique est de 80 % d’élimination de la DBO5. (A. GAID,1984)
En pratique, les traitements conventionnels aérobies sont constitués de deux phases successives:
Le bassin contient des micro-organismes qui, grâce à l’injection d’ O2, consomment la pollution dissoute et se développent. Ce mélange forme les boues activées (ou boues biologiques).
– Le décanteur secondaire (ou clarificateur secondaire)
Après le bassin d’aération, l’eau traitée passe par débordement dans le décanteur où elle sera séparée des boues par décantation de celles-ci au fond du décanteur.
Il existe différents types de procédés dans le bassin d’aération : d’une part, les procédés biologiques à cultures libres tels que les boues activées et les systèmes MBR, et d’autre part, les procédés biologiques à cultures fixées tels que les biofiltres.( S.Vandermeersch,2006)
c) Les traitements à boue activée
Ce procédé est le traitement biologique le plus utilisé pour des stations de taille moyenne à importante (+ de 2000 équivalents habitants), les boues activées étant la suspension boueuse contenant la flore bactérienne épuratrice. Dans ce procédé, les bactéries se trouvent en suspension dans l’eau du bassin par un brassage continu.
Elles sont donc en contact permanent avec les matières organiques dont elles se nourrissent, et avec l’oxygène nécessaire à leur assimilation. Afin de conserver un stock constant et suffisant de bactéries pour assurer le niveau d’épuration recherché, une grande partie des boues extraites du décanteur est réintroduite dans le bassin d’aération ; on parle alors de recirculation des boues.
La fraction restante est évacuée du circuit et dirigée vers les unités de traitement des boues, elle constitue les « boues en excès ». (S.Vandermeersch,2006)
La figure représente le schéma du traitement biologique aérobie à boue activée.
Figure n°4 : Schéma du traitement biologique aérobie à boue activée (S.Vandermeersch,2006)
En résumé, une station de traitement à boue activée comprend donc :
- Un bassin d’aération dans lequel l’eau à épurer est mise en contact avec la masse bactérienne épuratrice et oxygénée en continu,
- Un décanteur dans lequel s’effectue la séparation de l’eau épurée et de la culture bactérienne (flocs),
- Un dispositif de recirculation assurant le retour vers le bassin d’aération des boues biologiques récupérées dans le décanteur, ainsi qu’un dispositif d’extraction et d’évacuation des boues en excès.
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3.3.2. Les traitements MBR (Membrane Bioreactor)
Récemment, un nouveau procédé a été développé : le système MBR (Membrane Bioreactor). Ce procédé est une variante du procédé à boue activée, dans lequel une filtration sur membrane remplace le décanteur secondaire.
La séparation des deux phases est réalisée par une membrane qui retient la phase solide et permet à l’eau de passer et de rejoindre le prochain traitement. Dans ce système, on utilise la plupart du temps des membranes organiques ou minérales de porosité de 0,2 Qm. Une biomasse supplémentaire à la boue activée se développera sur la membrane, celle-ci est appelée « biofilm ».
Le système MBR est donc un traitement qui combine tant les actions épuratrices de la filtration que celles de l’activité microbiologique. Il existe deux types de systèmes MBR :
- – Le système recirculé (la membrane est placée à l’extérieur du module biologique)
- – Le système immergé (la membrane est placée dans le module biologique)
Figure n°5: Schéma du système recirculé et du système immergé (Fabre et al., 2006)
Tableau n°9 : Les différents systèmes d’épuration biologique. (D.ZEROUALI,2000)
| Cm (Kg de DBO5/ Kg MVS) | MVS (Kg/m3) | Cv (Kg DBO5/m3/j). | Boues (Kg MES/ Kg DBO5) | Rendement épuratoire | Oxygène consommé (Kg O2/ Kg DBO5) | Le temps de séjour | |
| Aération prolongée | ≤ 0,1 | 4-6 | ≤ 0,35 | 0,1-0,3 | 95 | 1,5-2 | 20-30 |
| Faible charge | 0,1-0,2 | 3-4 | 0,35-0.5 | 0,5 | 80-90 | – | 10-20 |
| Moyenne charge | 0,2-0,5 | 3-4 | 0,5-2 | 0,5 | 80-90 | 0,8-1,2 | 4-10 |
| Forte charge | ≥ 1 | 2-3 | ≥ 2 | 0,8 | 70-80 | 0,3-0,8 |
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3.3.3. Traitements extensifs (le lagunage et le lit de gravier)
Le lagunage et le lit de gravier utilisent des mécanismes naturels pour traiter les eaux usées. Ils sont fort développés dans les petites communes rurales, en raison de leur rusticité et de leurs performances d’épuration honorables. Par contre, ces procédés conviennent moins bien aux communes plus grandes vues les grandes surfaces de bassins nécessaires.
Un traitement par lagunage comprend en général trois types de bassins : un bassin anaérobie, un bassin facultatif et un bassin de maturation.
Le bassin anaérobie permet de diminuer la charge en matière organique. L’anaérobie est obtenu en apportant un effluent très chargé en matière organique. Dans ces lagunes, une profondeur importante est en principe un élément favorable au processus (5 à 6 m, par exemple).
Ce bassin n’est applicable que sur des effluents à forte concentration et, le plus souvent, à titre de prétraitement avant un deuxième stade d’épuration de type aérobie.
Le bassin facultatif permet le développement d’algues photosynthétiques qui vont produire de l’oxygène nécessaire au développement des bactéries aérobies. Cet apport peut être complété exceptionnellement par des aérateurs pour stimuler l’activité biologique et diminuer les surfaces.
Il existe deux types de bassins facultatifs, selon les végétaux qu’ils comprennent :
- Les bassins à microphytes : ils contiennent des algues microscopiques (essentiellement les algues vertes ou bleues),
- Les bassins à macrophytes : ils contiennent des végétaux macroscopiques, sous formes libres (ex. lentilles d’eau) ou fixées (ex. roseaux). (M. DEGREMONT,2001)
La figure schématise les principaux cycles biologiques se développant dans la lagune.
Figure n°6 : Principaux cycles biologiques se développant dans la lagune facultative (M. DEGREMONT,2001)
Enfin, le bassin de maturation va permettre l’élimination des pathogènes ; notamment sous l’action des UV.
Il existe un second traitement extensif : le traitement à lit de gravier. Dans ce cas, la lagune est remplie d’un substrat de gravier par lequel l’eau percole horizontalement. L’eau est donc filtrée par le substrat. Ce type de traitement peut être planté de macrophytes ou non selon le cas.
Dans la plupart des cas, les eaux ne sont pas préalablement traitées avant d’arriver dans les lagunes pour des raisons économiques. Il y aura donc l’accumulation de dépôts vaseux importants. Un curage systématique des lagunes est nécessaire tous les 10 à 20 ans. A l’évacuation des boues s’ajoute souvent le faucardage des plantes aquatiques en excès.
Le traitement biologique des eaux usées
Notons également que ce traitement permet de réaliser l’élimination de l’azote et du phosphore, il n’est donc pas suivi d’un traitement tertiaire supplémentaire. (S.Vandermeersch,2006)
