Microbiologie des boues activées

La biodégradation des composés contaminants représente évidemment la finalité de toutes technologies employant un système dit aux boues activées. Les micro-organismes (= bactéries, champignons, protozoaires et métazoaires) sont de ce point de vue de la plus haute importance puisqu’ils représentent la partie active de la boue.

  1. Flocons de boues activées
Les bactéries (Pseudomonas, Arthrobacter, Escherichia, Flavobacterium, etc.) sont le genre de micro-organismes le plus présent dans un système aux boues activées. Elles peuvent être libres, sous forme de cellules non liées ou organisées en flocons de boue. L’aptitude à la formation de flocons est une propriété très importante en vue de garantir une bonne séparation entre la boue et l’eau claire obtenue.
Puisque la concentration en boue est élevée dans un bioréacteur, le rapport entre le substrat alimenté et la quantité de biomasse présente est assez faible. Avec ces petites charges en boue, de nombreuses bactéries possèdent des cellules qui tendent à s’attacher entre elles. Certaines forment ainsi de nouveaux flocons (environnement pauvre en substrat). Cette technique est utilisée par les bactéries pour se protéger contre les prédateurs et empêcher qu’elles se trouvent éjectées vers un environnement plus hostile.

Ce phénomène est combiné à celui de la sélection naturelle rend compréhensible le fait que sous certaines conditions, une boue bien « floconneuse » se développe. Cette sélection naturelle de bactéries floconneuses s’effectue du fait de la phase de sédimentation imposée. Puisque leur vitesse de sédimentation est très faible, les cellules libres (mini flocons esseulés) présentes dans le réacteur se trouvent purgées au lieu d’être retenues avec les autres.

Remarque : Si aucune étape de sédimentation n’est imposée aux boues (dans un MBR) la structure en flocons disparaît très rapidement.

Les flocons de boue, qui consistent en cellules bactériennes (morte ou vivantes) et autres particules d’origine non bactérienne, sont gardées ensemble dans une sorte de matrice de substances polymères (= EPS : polysaccharides extra cellulaires) par des forces de liaisons chimiques.
La plupart des bactéries sont chargées négativement. Evidemment, les ions chargés positivement, et en particulier les ions bivalents tels que Ca2+ et Mg2+ entretiennent, renforcent le couplage des cellules (= pont).
Photo d’une cellule bactérienne entourée par des EPS

Suivant les conditions exactes de procédé, il peut y avoir d’importantes différences de morphologie, structure et taille des flocons. 3 classes peuvent être distinguées :

  • Petits flocons : diamètre < 25 micromètres
  • Flocons de taille moyenne : diamètre = 25 - 250 micromètres
  • Gros flocons : diamètre > 250 micromètres

Les cellules libres correspondent aux cellules non liées à quelque flocon, qui flotte librement à la surface de l’eau. Deux mécanismes sont à l’origine de l’apparition de ces cellules : alimentation via l’influent et cassage des flocons par les forces de cisaillement créées par le pompage ou l’aération.

Dans un système conventionnel (= sédimentation), la trop grandes présence de telles cellules libres peut poser de sérieux problèmes. La concentration de solides en suspension dans l’effluent augmente et il devient impossible d’obtenir un effluent clair en sortie.

2.  Bactéries filamenteuses


Les micro-organismes à l’intérieur desquels les cellules restent assemblées après la division cellulaire pour former des structures allongées sont appelés bactéries filamenteuses. La croissance en filament est typique d’une certaine sorte de micro-organismes, principalement bactéries. Des exemples sont Microthrix parvicella, Haliscomenobacter hydrossis, etc. Les bactéries mentionnées ci-dessus se trouvent sous forme filamenteuse selon certaines circonstances.
Les bactéries filamenteuses, de même que les bactéries floconneuses, contribuent au procédé de traitement des eaux usées. Cependant, une croissance massive des micro-organismes filamenteux conduit à la détérioration des propriétés de décantation et déshydratation de la boue. Un amas de filaments se crée et la migration des particules de boues jusqu’au fond du bassin est sérieusement contrariée. En d’autres termes, les filaments peuvent être à l’origine d’une mauvaise sédimentation des boues.
La taille de la population en micro-organismes filamenteux dans un système de boues activées peut varier grandement et est souvent reflété par l’index en filament (= FI). Cet index part de 0 (= absence presque totale de filaments) et termine à 5 (= énorme excès de filaments). La différence de quantité de filaments entre 2 niveaux FI successifs correspond à peu près à un facteur 10. L’utilisation de l’index de filament induit une certaine expérience et interprétation de chercheur/opérateur.
D’autres méthodes de quantification (comptage) demandent trop de temps pour entrer dans le contrôle routinier des boues.
Bien qu’il n’y ait pas d’étape de sédimentation dans un MBR, une importante quantité de bactéries filamenteuses peut avoir un effet négatif sur le bon fonctionnement du MBR. Les filaments sont connus pour augmenter la résistance à la filtration des boues (= RSF) entraînant une diminution du débit et une hausse des PTM. Ces hautes valeurs RSF peuvent provenir de l’enveloppe cellulaire gluante des bactéries filamenteuses (s’accrochant facilement à la surface membranaire) et/ou de la formation d’un amas de filament relativement rigide sur la membrane (faisant augmenter la résistance à la manière d’un gâteau de filtration).
Remarque : De grandes quantités de bactéries filamenteuses dans la boue activée ont aussi un effet négatif sur l’efficacité de l’aération.

Photo des populations de boue Fl: 0
 Photo des populations de boueFl:1



Photo des populations de boue Fl:2


 Photo des populations de boue Fl:3





















































3.  Filaments contre flocons

La séparation entre les flocons de boue et l’eau claire est un important procédé ayant des conséquences majeures sur la qualité de l’effluent. Il est évident que la quantité de filament représente un paramètre essentiel pour déterminer la qualité d’une boue.
Afin de favoriser la formation d’une biomasse floconneuse, une phase de « disette » (= période pendant laquelle aucun substrat libre n’est disponible) est nécessaire. Cela signifie en fait qu’un gradient de substrat doit être créé dans la station selon le lieu (zone) et le temps (phase) :
  • Place : sélection (= zone de contact entre la boue et l’eau usée) ou configuration réacteur piston;
  • Temps : procédé cyclique sous contrôle, ce qui permet d’alterner les périodes d’accumulation (= alimentation + aération) et de régénération (= aération seulement), les 2 procédés essentiels pour la création d’un gradient de substrat dans un réacteur unique.
Tout cela est en fait lié à la création d’une phase/zone d’accumulation et de régénération dans le bassin d’aération. La boue est nourrie (et aérée) durant l’étape d’accumulation, le substrat étant disponible, les micro-organismes à l’origine de la formation de flocons s’en servent donc.
L’étape suivante, étape de régénération, la biomasse est seulement aérée, pas d’alimentation (= “disette”). Durant cette phase, le substrat accumulé peut être dégradé (= respiration endogène). La plupart du substrat libre est utilisé pendant la période d’accumulation, de ce fait, les concentrations en substrat dans l’étape de régénération sont négligeables.
Les bactéries formatrices de flocons peuvent assimiler un grand nombre de composés organiques très rapidement, sans forcément les métaboliser directement. Elles possèdent un avantage certain par rapport aux bactéries à l’origine des filaments durant la période de régénération.
Une quantité suffisante de substrat doit être disponible (charge en boue > 0,05 kgDBO/kg MS*jour). En cas de manque, l’accumulation n’est plus possible. Le substrat disponible est consommé très rapidement par les bactéries filamenteuses.
La concentration en oxygène dans le bioréacteur est un paramètre critique. Pour des concentrations en oxygène dissous (< 1 mg O2/L), les « formateurs de filaments » sont favorisés par rapport aux formateurs de flocons car ils ont une plus grande affinité envers l’oxygène. A des concentrations plus élevées, les formateurs de flocons rentrent à nouveau en compétition.
En résumé : La formation de filament peut être empêchée en gardant une quantité suffisante d’oxygène et de substrat disponible pour les micro-organismes, un gradient de substrat pouvant alors être créé dans le bioréacteur.
Certains éléments sont connus pour être à l’origine de l’apparition de filament et doivent être évités :
Sulfite d’hydrogène (H2S) : Thiothrix, Beggiatoa;
  • Huiles et matières grasses : Nocardia, M. parcivella (remarque : effet négatif sur le transfert d’oxygène vers la phase eau);
  • Manque de nutriments : Thiothrix, N. limicola;
  • pH < 6 : champignons.

4.  Organismes supérieurs (prédateurs)

On trouve avec les micro-organismes mentionnés ci dessus, utilisant le substrat de l’eau usée comme nourriture, presque toujours d’autres organismes plus gros (protozoaires et métazoaires) dans la boue.
La plupart de ces organismes préfère se nourrir de cellules bactériennes accessibles : cellules libres ou semi libres flottant dans l’eau, et étant à peine attachées aux flocons de boue. Il y en a aussi qui consomment entièrement les flocons de boues ou autres organismes plus complexes. C’est pour cela qu’ils sont communément appelés organismes prédateurs.
Les protozoaires et métazoaire sont visibles sous microscope, du fait de leur large taille (10 to 10000 μm flocons de boue : maximum 500 μm), de leur forme caractéristique et de leur mobilité.
Les protozoaires sont des êtres unicellulaires présents dans la plupart des populations de boue activée. Ils se nourrissent donc de cellules bactériennes libres et de matières colloïdales. Ils peuvent être divisés :
  • Ciliates (20-400 μm) : caractérisée par une grande mobilité, conduit par des sortes cilia sous forme de cheveux.
 Ciliates nageur;
 Ciliates rampant;
 Ciliates en tige;


  • Flagellâtes (5-20 μm) : très mobiles aussi, de forme ovale, conduit par une longue flagelle faisant des mouvements battant;
  • Amoeba (10-100 μm) : mobilité à l’aide de « mini pattes »;
  • Heliozoa.

Photos d’un protozoaire (gauche = un ciliate nageur ; droite = un ciliate en tige)


Photos d’un protozoaire (gauche = flagellâtes ; droite = amoeba).

Les métazoaires sont, en contraste avec les bactéries et les protozoaires, multicellulaires, et donc plus gros. Ils ont la plupart du temps un rôle mineur dans le procédé par boue activée. Ils sont présent sous forme de :
  • Rotifères : (50-500 μm) se nourrissent de grosses particules de boue.
  • Nématodes : gros invertébrés.
  • Vers.
Photos de métazoaires (gauche = un rotifère ; droite = un ver rampant)
La présence de métazoaires et protozoaires dans la boue activée est normale dans un processus stable et indique une bonne santé de la boue.
Il existe d’autres points positifs : Dans un système conventionnel, la qualité de l’effluent est améliorée (= moins de solides en suspension) est liée à leur présence. Cet effet positif est généré car les cellules ingurgitées par les prédateurs sont celles qui rencontrent des difficultés à décanter. Ces organismes eucaryotes se nourrissant de particules de boue congénère, l’accroissement des boues est ainsi ralenti. La minéralisation des boues grâce aux vers est un bon exemple : la prolifération des vers peut accidentellement conduire à une diminution du taux de croissance des boues.
La présence ou absence de certains genres de micro-organismes fournit des informations sur les conditions exactes d’opération. Ces organismes (prédateurs, protozoaires et métazoaires) sont donc utilisés comme organismes indicateurs.
Les prédateurs étant des organismes eucaryotes plus gros, la présence d’oxygène est absolument nécessaire pour leur présence. En cas d’absence d’oxygène, la population de prédateur est des moindres et presque inexistante 
L’apparition de vers est souvent liée avec une période de procédés à plus hautes températures et apporte fréquemment une couleur rouge à la boue et l’effluent.
Il faut tenir compte que la composition de la boue active est fortement connectée à l’âge des boues (MCRT : Mean Cell Retention Time) et à la charge en boue (F/M). Les organismes prédateurs peuvent être trouvés quand l’âge des boues augmente, car ils reproduisent plus lentement leurs cellules que les autres bactéries compétitrices. Les oeufs de rotifères par exemple ont besoin de 3 jours pour éclore.
En résumé :


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