Dans le système des boues activées pour le traitement des eaux usées, les micro-organismes servent de « exécuteurs » principaux pour la purification des polluants. Selon leurs méthodes d'acquisition d'énergie et leurs formes d'utilisation des sources de carbone, ces micro-organismes peuvent être largement classés en deux catégories : autotrophes et hétérotrophes. Ces deux types présentent des différences fondamentales dans les mécanismes métaboliques, les rôles fonctionnels et l'adaptabilité environnementale, formant collectivement la structure écologique des boues activées. Cependant, leurs modes d'action et leurs valeurs fondamentales diffèrent considérablement. Une compréhension approfondie de ces différences est cruciale pour optimiser les processus de traitement des eaux usées et améliorer l'efficacité de la purification.
1. Différences fondamentales : la distinction fondamentale entre les sources d'énergie et l'utilisation des sources de carbone
La source d'énergie et la source de carbone sont des indicateurs fondamentaux qui distinguent les micro-organismes autotrophes et hétérotrophes. Ces deux facteurs clés déterminent directement leur direction métabolique et leur dépendance à la survie, ainsi que la logique sous-jacente de leurs rôles distincts dans le système des boues activées.
(1) Micro-organismes autotrophes : transformateurs de matière inorganique « autosuffisants »
La caractéristique principale des micro-organismes autotrophes est leur capacité à synthétiser indépendamment des composés organiques à partir du carbone inorganique, en utilisant des substances inorganiques comme « carburant énergétique » sans dépendre de la matière organique externe, fonctionnant comme les « producteurs » dans les écosystèmes.
En termes d'acquisition d'énergie, ces micro-organismes obtiennent de l'énergie en oxydant des substances inorganiques. Par exemple, les bactéries nitrifiantes tirent leur énergie en oxydant l'azote ammoniacal (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), tandis que les bactéries oxydant les nitrites oxydent les nitrites (NO₂⁻→NO₃⁻). Les bactéries oxydant le soufre, quant à elles, génèrent de l'énergie en oxydant les sulfures (par exemple, H₂S→S→SO₄²⁻). En ce qui concerne l'utilisation des sources de carbone, elles ne dépendent que du dioxyde de carbone (CO₂) ou des carbonates (tels que HCO₃⁻) comme seule source de carbone, convertissant le carbone inorganique en carbone organique par photosynthèse ou chimiosynthèse pour construire leurs cellules et mener à bien leurs activités métaboliques. Cette caractéristique « autosuffisante » leur permet de survivre sans dépendre des polluants organiques dans les eaux usées.
(2) Micro-organismes hétérotrophes : dégradeurs de matière organique « dépendants de l'extérieur »
Les micro-organismes hétérotrophes sont le contraire exact des micro-organismes autotrophes. Ils ne peuvent pas utiliser de substances inorganiques pour l'énergie ni synthétiser de manière autonome du carbone organique, s'appuyant plutôt sur la matière organique préexistante de l'environnement externe comme « source d'énergie » et « source de carbone ». Cela les rend fonctionnellement équivalents aux « consommateurs » et aux « décomposeurs » dans un écosystème.
En termes d'acquisition d'énergie, ces micro-organismes obtiennent de l'énergie en décomposant les polluants organiques dans les eaux usées (tels que les glucides, les protéines, les graisses, etc., quantifiés par la DCO, c'est-à-dire la demande chimique en oxygène). Par exemple, les bactéries hétérotrophes aérobies décomposent le glucose en CO₂ et H₂O tout en libérant de l'énergie pour leur propre métabolisme. En ce qui concerne l'utilisation des sources de carbone, elles absorbent directement le carbone organique des eaux usées (telles que les composants de la DCO et les petites molécules organiques) sans avoir besoin d'une synthèse autonome. Leurs activités métaboliques dépendent entièrement de la concentration et des types de polluants organiques dans les eaux usées.
II. Rôles fonctionnels : différents rôles dans le système de purification des boues activées
Basés sur les différences d'utilisation de l'énergie et des sources de carbone, les micro-organismes autotrophes et hétérotrophes dans les systèmes de boues activées exercent des fonctions de purification distinctes. Les premiers se concentrent sur la transformation de la matière inorganique, tandis que les seconds se concentrent sur la dégradation de la matière organique, travaillant en synergie pour assurer une purification efficace des eaux usées.
(1) Micro-organismes autotrophes : axés sur « l'élimination de l'azote et du soufre », traitant les polluants inorganiques
Les micro-organismes autotrophes jouent un rôle central dans les boues activées en facilitant la transformation et l'élimination des substances inorganiques, les nitrosomonas (y compris Nitrosomonas et Nitrobacter) étant les plus représentatives. Ces bactéries sont des acteurs clés dans les processus d'élimination de l'azote des eaux usées. En conditions aérobies, Nitrosomonas oxyde d'abord l'azote ammoniacal (NH₄⁺) dans les eaux usées en nitrite (NO₂⁻), qui est ensuite oxydé en nitrate (NO₃⁻) par Nitrobacter. Ce processus, connu sous le nom de « réaction de nitrification », est l'étape centrale de l'élimination biologique de l'azote. Sans les bactéries nitrifiantes autotrophes, l'azote ammoniacal dans les eaux usées ne peut pas être converti en nitrate, qui peut ensuite être éliminé par dénitrification, ce qui entraîne finalement des niveaux excessifs d'azote ammoniacal dans l'effluent.
De plus, quelques bactéries autotrophes oxydant le soufre peuvent oxyder les sulfures dans les eaux usées, les convertissant en sulfates inoffensifs et empêchant l'inhibition toxique des sulfures sur les micro-organismes, assurant ainsi le fonctionnement stable du système des boues activées. Cependant, il convient de noter que les micro-organismes autotrophes ont un taux métabolique extrêmement lent (avec un cycle de génération typique de 10 à 30 heures) et sont sensibles aux conditions environnementales (telles que la température, l'oxygène dissous et le pH). Par conséquent, leur proportion dans le système des boues activées est généralement faible (environ 5 % à 10 %).
(2) Micro-organismes hétérotrophes : « dégradation de la DCO » principale, construction de flocons de boues
Les micro-organismes hétérotrophes sont la « force principale » des boues activées, représentant plus de 90 % de sa population. Leurs principales fonctions se concentrent sur deux aspects majeurs : la dégradation de la matière organique et la formation de flocons de boues, qui déterminent directement l'efficacité d'élimination de la DCO dans les eaux usées et les performances de décantation des boues activées.
Dans la dégradation de la matière organique, les bactéries hétérotrophes aérobies décomposent les composés organiques macromoléculaires (tels que l'amidon, les lipides et les protéines) dans les eaux usées en molécules organiques plus petites par respiration aérobie. Ces molécules plus petites sont ensuite décomposées en produits inorganiques comme le CO₂ et le H₂O, réduisant ainsi la valeur de la DCO des eaux usées. C'est l'objectif principal du traitement des eaux usées domestiques et des eaux usées organiques industrielles. Par exemple, dans les stations d'épuration urbaines, les bactéries hétérotrophes peuvent réduire la DCO entrante de 300 à 500 mg/L à moins de 50 mg/L, respectant ainsi les normes de rejet.
Dans la formation de flocons de boues, certains micro-organismes hétérotrophes (tels que les actinomycètes et les champignons) sécrètent des substances visqueuses comme les polysaccharides et les protéines, qui agrègent les cellules microbiennes dispersées en flocons structurellement stables (c'est-à-dire les flocons de boues activées). Ces flocons encapsulent non seulement les polluants et améliorent l'efficacité de la dégradation, mais se déposent également rapidement dans les bassins de sédimentation, réalisant ainsi la séparation boues-eau et empêchant la perte microbienne avec l'effluent. Si l'activité des bactéries hétérotrophes est insuffisante ou si leur capacité de formation de flocons est faible, cela peut entraîner un excès de matières en suspension (MES) dans l'effluent et, dans les cas graves, provoquer un « gonflement des boues », déstabilisant ainsi le système.
3、 Adaptabilité environnementale : différentes exigences pour les conditions de processus
Les caractéristiques métaboliques des micro-organismes autotrophes et hétérotrophes diffèrent, ce qui entraîne des exigences différentes pour les conditions environnementales du système des boues activées, telles que l'oxygène dissous, la température et le rapport des nutriments. L'optimisation de ces conditions est la clé pour assurer le travail collaboratif des deux types de micro-organismes.
（1） Micro-organismes autotrophes : très sensibles aux conditions environnementales
L'activité métabolique des micro-organismes autotrophes (en particulier les bactéries nitrifiantes) nécessite des conditions environnementales strictes, et même de petites fluctuations de paramètres peuvent affecter leur activité :
-Oxygène dissous (OD) : un oxygène dissous adéquat est nécessaire à la réaction de nitrification, et l'OD doit être maintenu à 2 mg/L. Si l'OD est inférieur à 1 mg/L, l'activité des bactéries nitrifiantes sera considérablement inhibée et l'efficacité de l'oxydation de l'azote ammoniacal diminuera fortement ;
-Température : la température optimale est de 20 à 30 ℃. Lorsque la température est inférieure à 10 ℃, le taux métabolique des bactéries nitrifiantes diminuera de plus de 50 %. En hiver, les stations d'épuration rencontrent souvent le problème d'un taux d'élimination de l'azote ammoniacal insuffisant ;
-Valeur du pH : la plage appropriée est de 7,5 à 8,5. Si le pH est inférieur à 6,5 ou supérieur à 9,0, les bactéries nitrifiantes arrêteront leur métabolisme en raison de l'inhibition de l'activité enzymatique ;
-Rapport des nutriments : ne nécessite pas une grande quantité de carbone organique, mais est sensible au carbone organique - si la DCO dans les eaux usées est trop élevée, les bactéries hétérotrophes entreront en compétition avec les bactéries autotrophes pour l'oxygène dissous et l'espace, inhibant la croissance des bactéries nitrifiantes.
（2） Micro-organismes hétérotrophes : très tolérants aux conditions environnementales
Par rapport aux micro-organismes autotrophes, les micro-organismes hétérotrophes ont une adaptabilité environnementale plus forte et une plage de tolérance plus large pour les paramètres de processus :
-Oxygène dissous (OD) : les bactéries hétérotrophes aérobies doivent maintenir l'OD à 1-2 mg/L pour répondre à leurs besoins métaboliques, tandis que certaines bactéries hétérotrophes facultatives (telles que les bactéries dénitrifiantes) peuvent encore dégrader la matière organique par respiration anaérobie en conditions anaérobies ;
-Température : la température optimale est de 15 à 35 ℃, mais elle peut encore maintenir un certain niveau d'activité dans la plage de 5 à 40 ℃, et sa tolérance aux basses températures est bien meilleure que celle des bactéries autotrophes ;
-Valeur du pH : la plage appropriée est de 6,0 à 9,0, et certaines bactéries hétérotrophes (telles que les champignons) peuvent encore survivre en conditions acides à un pH de 5,0 ou en conditions alcalines à un pH de 10,0 ;
-Rapport des nutriments : une quantité adéquate de carbone organique est nécessaire et sensible au rapport carbone/azote (C/N) - nécessitant généralement un rapport C/N de 5-10:1. Si la source de carbone est insuffisante, les bactéries hétérotrophes connaîtront une diminution de l'activité et du taux d'élimination de la DCO en raison de la « famine ».
4、 Collaboration et compétition : relations microbiennes dans les systèmes de boues activées
Dans le système des boues activées, les micro-organismes autotrophes et hétérotrophes n'existent pas indépendamment, mais ont une double relation de « synergie » et de « compétition », et l'équilibre entre les deux affecte directement l'efficacité du traitement des eaux usées.
（1） Relation de collaboration : fonctions complémentaires, complétant conjointement la purification
La synergie entre les deux se reflète principalement dans le « processus de dénitrification » : les bactéries nitrifiantes autotrophes convertissent l'azote ammoniacal en nitrate (processus de nitrification), tandis que les bactéries dénitrifiantes hétérotrophes, en conditions anaérobies, utilisent le carbone organique dans les eaux usées comme donneur d'électrons pour réduire le nitrate en azote (N₂) et le libérer dans l'air (processus de dénitrification) - sans bactéries autotrophes, les bactéries dénitrifiantes n'ont pas de « substrat » à utiliser ; Si les bactéries hétérotrophes manquent, le nitrate produit par les bactéries nitrifiantes ne peut pas être éliminé, et finalement l'azote total ne peut pas répondre à la norme. De plus, les bactéries hétérotrophes peuvent réduire la charge organique dans les eaux usées après avoir dégradé la DCO, créant ainsi un environnement de vie approprié pour les bactéries autotrophes sensibles au carbone organique et favorisant indirectement leur activité.
（2） Relation de compétition : compétition pour les ressources, affectant l'équilibre du système
La compétition entre les deux se concentre principalement sur « l'oxygène dissous » et « l'espace vital » : lorsque la concentration de DCO dans les eaux usées est trop élevée, les bactéries hétérotrophes se reproduiront rapidement en raison de « suffisamment de nourriture », consommeront une grande quantité d'oxygène dissous, et l'activité des bactéries autotrophes sera inhibée en raison de « l'hypoxie », ce qui entraînera le phénomène de « bon effet d'élimination de la DCO mais mauvais effet d'élimination de l'azote ammoniacal » ; Au contraire, si la concentration de DCO dans les eaux usées est trop faible (comme les eaux usées industrielles), l'activité des bactéries hétérotrophes est insuffisante et des flocons de boues stables ne peuvent pas se former. Les bactéries autotrophes seront également perdues en raison de la « carence en support », affectant l'efficacité de la nitrification. Par conséquent, dans les processus pratiques, il est nécessaire d'équilibrer la relation de compétition entre les deux en ajustant des paramètres tels que la charge d'eau d'entrée et le rapport de reflux. Par exemple, lors du traitement des eaux usées à forte DCO, « l'eau d'entrée segmentée » peut être utilisée pour réduire la charge organique locale et assurer la demande d'oxygène dissous des bactéries nitrifiantes.
5、 Résumé : différences fondamentales et importance technologique entre deux types de micro-organismes
La différence entre les micro-organismes autotrophes et hétérotrophes dans les boues activées est essentiellement la différence dans les « sources d'énergie et les méthodes d'utilisation des sources de carbone », qui s'étend à une série de différences dans le positionnement fonctionnel, l'adaptabilité environnementale et les relations microbiennes entre les deux (comme indiqué dans le tableau 1).
Comprendre ces différences a une signification importante pour guider l'optimisation des processus de traitement des eaux usées : par exemple, lors du traitement des eaux usées à forte teneur en azote ammoniacal et à faible DCO (telles que les eaux usées aquacoles), il est nécessaire de se concentrer sur la garantie des conditions de survie des bactéries autotrophes (augmentation de l'OD, contrôle de la température) et d'ajouter de manière appropriée des sources de carbone pour répondre aux besoins de dénitrification des bactéries hétérotrophes ; Lors du traitement des eaux usées à forte DCO et à faible teneur en azote ammoniacal (telles que les eaux usées alimentaires), il est nécessaire de contrôler la charge organique, d'éviter la croissance excessive des bactéries hétérotrophes et d'inhiber les bactéries autotrophes, et de s'assurer que la DCO et l'azote ammoniacal respectent les normes simultanément. En bref, le fonctionnement stable d'un système de boues activées est essentiellement un « équilibre dynamique » entre les micro-organismes autotrophes et hétérotrophes. Ce n'est qu'en adaptant avec précision les besoins des deux que l'efficacité maximale du traitement des eaux usées peut être atteinte.
