I. Aperçu des systèmes de traitement biologique des eaux usées
Le traitement biologique moderne des eaux usées est généralement divisé en trois étapes :
- Traitement primaire (traitement physique) : interception de tamis à barres, bassin de sédimentation primaire
- Traitement secondaire (traitement biologique) : Bassin d'aération, bassin de décantation final
- Traitement tertiaire (traitement biologique/physicochimique) : élimination de l'azote et du phosphore
Les boues sont acheminées séparément vers le système de digestion des boues.
En fonction de la demande en oxygène, le traitement biologique est classé en traitement aérobie (procédé à boues activées, bassin d'oxydation, canal d'oxydation, filtre percolateur, contacteur biologique rotatif, etc.) et en traitement anaérobie (digestion des boues).
II. Communauté microbienne dans les boues activées
Le procédé par boues activées repose sur des écosystèmes hétérotrophes composés de micro-organismes regroupés, notamment des bactéries, des champignons, des protozoaires et des métazoaires, pour purifier les eaux usées. Les bactéries hétérotrophes et les champignons hétérotrophes libres forment le niveau trophique le plus bas. Ils sont précédés par des protozoaires hétérotrophes, qui sont ensuite consommés par des prédateurs secondaires tels que les rotifères et les nématodes, réalisant finalement l'épuration des eaux usées.
(I) Bactéries – La principale force de dégradation de la matière organique
Les bactéries constituent le groupe microbien le plus critique dans les boues activées, assumant deux fonctions principales : la dégradation de la matière organique et la formation de flocs.
Genres de bactéries dégradant les matières organiques
Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Bacillus
- Dégradeurs de glucides dominants :Pseudomonas
- Dégradeurs de protéines dominants :Alcaligènes, Flavobacterium, Bacillus
(II) Mécanisme de formation de floc
Les flocs de boues activées se forment grâce à l'effet synergique de trois composants :
- Bactéries formant des flocs (Zooglea ramigera) : En forme de bâtonnet, à Gram négatif, capsulé et non sporulé. Ils induisent l'agrégation bactérienne via des polymères extracellulaires et des substances intercellulaires.
- Bactéries filamenteuses modérées : fournissent des structures filamenteuses pour les flocs, permettant la fixation et la croissance de bactéries formant des flocs, notamment :
- Bactéries nitrifiantes
- Sphérotilus(bactéries du fer)
- Beggiatoa(bactéries oxydant le soufre)
- Thiothrix(bactéries réductrices de soufre)
- Ciliés : sécrètent des mucoprotéines et des polymères polysaccharides pour former des structures de pontage et faciliter la floculation.
(III) Champignons – Dégradeurs de matières organiques réfractaires
Les champignons peuvent décomposer les matières organiques récalcitrantes et difficiles à biodégrader à un taux de dégradation relativement faible. Des filaments fongiques modérés servent de noyaux de floculation et améliorent les performances de floculation et de sédimentation. Cependant, une prolifération fongique excessive entraîne un gonflement des boues et de mauvaises propriétés de décantation.
Causes d’une croissance fongique massive et anormale :
- Chute de température
- Faible valeur pH
- Rapport C/N élevé des eaux usées
- Charge organique excessive
- Présence de sulfures
(IV) Protozoaires – Organismes indicateurs de la qualité de l’eau
Protozoaires communs dans les boues activées :
- Protozoaires amiboïdes
- Flagellés (phytoflagellés et zooflagellés)
- Ciliés : ciliés nageant librement et ciliés pédonculés
Signification de l'indicateur : La présence de ciliés est un indicateur clé d'un traitement biologique efficace. Les flagellés ont une faible compétitivité alimentaire et ne survivent que dans les eaux usées à forte concentration.
(V) Métazoaires – Prédateurs secondaires
Les métazoaires se nourrissent de bactéries et de petits protozoaires comme prédateurs secondaires. Ils prolongent la chaîne alimentaire et réduisent considérablement le rendement des boues. Les espèces représentatives comprennent les rotifères et les nématodes.
III. Trois étapes de formation des boues
Le processus d'élimination de la matière organique des boues activées coïncide avec la formation des boues, qui comprend trois étapes séquentielles :
Étape 1 : Transfert de masse – Adsorption et absorption
Les boues de retour adsorbent instantanément physiquement les substances colloïdales et la DBO insoluble des eaux usées, suivies d'une absorption progressive des matières organiques solubles dans les cellules microbiennes pour une dégradation métabolique.
Étape 2 : Transformation métabolique – Biodégradation
Les matières organiques subissent des conversions métaboliques, notamment l'hydrolyse, la glycolyse (glucides), la décarboxylation, la désamination (protéines) et la β-oxydation (lipides). Les substrats décomposés entrent ensuite dans le cycle du TCA et la chaîne de transport d'électrons pour générer de l'énergie, avec du dioxyde de carbone et de l'eau comme sous-produits métaboliques finaux.
Étape 3 : Floculation – Génération de flocs bien décantés
À mesure que la concentration organique diminue, les micro-organismes entrent dans la phase de décomposition endogène. Les polymères polysaccharides sont sécrétés autour des surfaces cellulaires pour améliorer la cohésion, formant des flocs denses et décantables qui permettent une séparation solide-liquide dans le bassin de sédimentation final.
IV. Conditions environnementales pour la dégradation de la matière organique
- Température : 20–30°C, régule l’activité enzymatique microbienne
- Nutriments : DBO : N : P = 100 : 5 : 1 ; les oligo-éléments K, Ca, Fe, Mg sont également nécessaires
- Oxygène dissous (OD) : 0,5 à 1 mg/L à l'entrée du réservoir, 2 à 3 mg/L à la sortie ; le taux métabolique chute fortement lorsque la DO est inférieure à 0,5 mg/L
- Valeur pH : 6,5–7,5, optimale à légèrement alcaline 7,2–7,4 ; les micro-organismes ne peuvent pas survivre à un pH < 4 ou à un pH > 10
- Substances toxiques : Classement de toxicité des métaux lourds : Ag > Hg > Sn > Cu > Cd > Cr
