Systèmes SBR


Dans d’autres systèmes, tels que les systèmes SBR (Sequential Batch Reactor ou Réacteur à Batch Séquentiel : LUCAS®-1) ou hybrides (LUCAS®–2, 3 et 4), les deux procédés fondamentaux (aération et sédimentation) sont séparés seulement en temps, on peut parler de phases fondamentales. La succession des phases est répétée continuellement dans le temps. C’est pourquoi ces systèmes sont nommés “systèmes cycliques”.
Les phases successives sont :

Réacteurs conventionnels


La technologie dite aux boues activées représente l’essence/le moteur d’une station de traitement d’eaux usées biologique de type « conventionnelle » ou « hybride » (SBR, LUCAS, etc.). L’eau usée et les boues sont mélangées ensemble dans un réacteur et après traitement biologique, un effluent clair, sans matières en suspension, doit être obtenu. Ceci implique l’implantation d’une étape de séparation boue/eau clarifiée.
Dans un système conventionnel toutes les étapes de procédés fondamentaux sont séparées en place (pas en temps). Alimentation et aération prennent place dans un bassin d’aération séparé (complètement mélangé, réacteur piston, carrousel, etc.), la sédimentation des boues activés prend place dans un bassin de sédimentation. Les eaux usées entrent dans le bioréacteur aéré et, après épuration biologique, s’écoulent sans boues, vers le point de décharge.

Pour éviter l’accumulation des boues activées tout en conservant une concentration de boues (= degré d’activité) suffisante dans le bassin d’aération, les boues sédimentées sont recyclées vers le bioréacteur (= recirculation des boues).
Pour compenser l’accroissement des boues une part des boues est cependant dirigée vers le stockage de boues. Les boues en surplus sont ensuite traitées et déshydratées. Si les boues en excès ne sont jamais purgées, elles sont perdues avec l’effluent dont la qualité est dégradée et ses caractéristiques deviennent hors normes.
Un schéma d’une station conventionnelle est donné dans Figure

Ce système présente plusieurs avantages : courants influent et effluent continus (capacité hydraulique minimale des tuyaux et pompes  coût d’investissement plus bas), niveau constant dans le réacteur (équipement fixe) et processus simple et robuste. Les désavantages sont l’encombrement (bassins séparés pour aération et sédimentation), les coûts de construction plus important et la flexibilité de procédé limitée (contrôle en place versus contrôle en temps).



procédé de traitement biologique aérobie

Une station d’épuration conventionnelle est toujours constituée d’au minimum 2 procédés fondamentaux, séparé dans l’espace et/ou temps :

  • Alimentation et aération: Durant cette étape, l’eau usée est amenée directement en contact avec les boues actives (= alimentation) et l’oxygène nécessaire est ajouté dans le bioréacteur (= aération). Les composés organiques sont d’abord absorbés par les flocons de boue (= accumulation). Ensuite la réelle dégradation enzymatique prend place (= régénération). Le substrat biodégradable est ensuite supprimé/oxydé (consommation d’O2) sous des conditions contrôlées (pH, O2, température, nutriments, etc.). La biodégradation prend ensuite place dans les cellules bactériennes, par voie biochimique. Une partie du substrat est convertit en CO2 (libéré dans l’atmosphère), H2O et autres composés minéraux (= dissimilation), une autre partie est convertit en nouvelle matière cellulaire et réserves de carbone (= assimilation).
  • Sédimentation et décharge: Après aération, une zone/phase de relaxation est crée dans le bassin de sédimentation. Ici, les boues activées “plus lourdes” peuvent être séparées de l’eau traitée “plus légère” par gravité. Après sédimentation des boues, le surnageant (l’effluent clair) s’écoule vers le point de décharge.
Puisque la vraie biodégradation prend place lors de l’étape d’aération, le volume pris en compte pour ce procédé est appelé volume actif (= volume total – volume sédimentation).
De manière analogue, le volume pris en compte lors de l’étape de sédimentation est appelé volume passif. Ce procédé consiste seulement en une séparation entre les boues activées et l’eau. Le processus de biodégradation a déjà eu lieu durant les phases d’alimentation et d’aération.

Principe de la dégradation aérobie

Une épuration biologique aérobie consiste à convertir le substrat présent dans l’eau usée en CO2, H2O et énergie grâce à l’oxygène et aux boues activées.



    













Assimilation - dissimilation:


Dissimilation: Réactions de production d’énergie. La matière organique de l’eau à traiter est convertie en CO2 et eau, et de l’énergie vital est libérée. Ce procédé est aussi appelé respiration du substrat.

Assimilation: Accroissement de la biomasse. La matière organique (principalement le carbone) est convertie en nouveau matériel cellulaire par dissimilation de l’énergie et des nutriments (N et P). Quand il n’y a pas ou plus de substrat disponible, la matière cellulaire est digérée/oxydée à son tour. Ce phénomène est appelé respiration endogène.
Les micro-organismes satisfont leur besoin en énergie en oxydant le substrat présent. Les molécules substrat représentent la force motrice derrière le métabolisme bactériologique, qui peut être divisé en deux parties :

  • En premier s’effectue le catabolisme ou dissimilation. Le substrat en contact avec les bactéries et l’oxygène est cassé et transformé en CO2 (relâché libre dans l’atmosphère) et en eau. L’énergie libérée pendant ce procédé est utilisée pour la production de nouvelles cellules. Lorsque le substrat manque les micro-organismes digèrent leur propres matériel cellulaire s’en servant de composés réserve (= respiration endogène).
  • La deuxième grande ligne du métabolisme bactériologique est l’anabolisme. Pour l’assimilation de nouveau tissue cellulaire et d’un nouveau stock de réserve de substrat carbone, les produits de la réaction de dissimilation sont utilisés. Il est bien évident que l’assimilation ne peut avoir lieu que si la dissimilation prend place auparavant. En conséquence du procédé d’assimilation, la concentration en boue augmente continuellement. C’est pour cette raison qu’il est essentiel de supprimer régulièrement une partie de ces boues en excès (surplus). Ce procédé est nommé « purge » ou « wasting ».



Traitement aérobie contre traitement anaérobie


Les avantages et désavantages d’une station d’épuration aérobie, par rapport à un système anaérobie, sont soulignés ci dessous :
Avantages traitement aérobie:
- Température d’opération 0 et 40 °C. Chauffage pas nécessaire;
- Grande efficacité de suppression en DCO. Pas de post-traitement requis;
- Suppression biologique de N- et P- possible;
- Procédé très robuste;
- Temps de démarrage court (quelques semaines).
Désavantages traitement aérobie:
- Coût en énergie du fait de l’aération;
- Production de boue 4 à 5 fois plus importante que dans un système anaérobie;
- Volume des réacteurs plus grand comparés à ceux d’un traitement aérobie: Charge volumétrique plus petite, principalement du fait de la plus petite concentration en boue dans le réacteur (seulement valable pour des systèmes conventionnels ; MBR est aussi une technologie compacte)
- Pas de production de méthane qui peut pourtant être utilisé comme chaleur ou source d’énergie.
Les principaux paramètres et principes concernant le traitement aérobie biologique d’une eau usée sont expliqués dans les paragraphes suivants.

Traitement anaérobie


Capteur d’électron : autres que l’oxygène (O); dans le traitement d’eau usée principalement les substances organiques (fermentation) et le CO2.
En résumé, la dégradation anaérobie est la création d’énergie pour la dégradation biologique des carbohydrates en l’absence d’oxygène.
Pour obtenir une dégradation anaérobie complète, une coopération entre plusieurs différents groupes de bactéries est nécessaire. Chacun de ces groupes est responsable d’une étape spécifique dans le procédé de dégradation anaérobie (dans l’ordre : hydrolyse, acidogénèse, acétogénèse et méthanogénèse). Ces différentes populations de bactéries travaillent tellement proches l’une de l’autre que l’on peut parler d’une association syntrophique.

Du méthane (= CH4) est produit durant la dernière étape (= méthanogénèse) d’une telle dégradation anaérobie. Ce méthane, associé aux autres effluents gazeux (principalement CO2, mais aussi NH4+, H2S et H2; NO O2), est appelé biogaz. Une grande partie de ce biogaz (60 - 85 vol. %) est constituée de méthane riche en énergie (100 % CH4 = 39,5 MJ/Nm³). Cela permet de réutiliser le biogaz comme source d’énergie pour la production de chaleur ou d’énergie mécanique et/ou électrique.
Une population très spécifique de micro-organismes est responsable pour la dégradation anaérobie. Cette population anaérobie est complètement différente des bactéries présentes dans une station d’épuration aérobie.

Traitement aérobie


Capteur final d’électron : oxygène (=O) sous forme de molécule (=O2) ou de liaison (principalement NO3-).
Pour les procédés aérobies, la molécule d’oxygène (= O2) sert de capteur d’électrons. Il est donc nécessaire de prévoir une aération suffisante dans le bioréacteur pour obtenir une dégradation aérobie contrôlée du substrat. La dégradation du glucose (molécule ordinaire) est représentée de façon simplifiée. Dans la cellule, les réactions s’enchaînent à travers plusieurs étapes enzymatiques.


5 C6H12O6 + 30 O2 -------> 30 CO2 + 30 H2O + énergie

Dans un environnement anoxique, la molécule d’oxygène est absente. Cependant, l’oxygène est disponible à l’état lié, principalement sous forme de nitrate (NO3-). Certains genres de micro-organismes (Pseudomonas, Thiobacillus, Paracoccus, etc.) sont capables d’utiliser ce nitrate comme capteur d’électron. Néanmoins, ils le font seulement en cas de manque d’oxygène. Ils adaptent leur respiration et consomment le nitrate seulement quand il n’y a absolument plus d’O2 disponible.
Un compartiment anoxique est donc seulement mélangé mais pas aéré. La réaction simplifiée du glucose est présentée ci-dessous.

5 C6H12O6 + 24 NO3- + 24 H+ -----> 12 N2 + 30 CO2 + 42 H2O + énergie

Afin de supprimer l’azote de manière biologique, une étape de nitrification doit précéder la dénitrification. La nitrification implique que ammonium-N soit convertit en nitrate-N.

Traitement Biologique Généralité


Du fait de sa simplicité et de sa flexibilité, le traitement biologique est le plus utilisé et représente la solution la plus économique pour le traitement d’eaux usées biodégradables.
Il peut être représenté de façon simple comme étant un transfert de pollution de l’eau usée vers les boues activées :
Eau usée (+pollution) -------> Boue (+pollution) + effluent clair

Le mode de transfert dépend de la nature exacte des substances polluantes. Dans le cas de substances organiques biodégradables, appelé substrat, il est utilisé pour l’alimentation (= source C) par les boues activées.
Parmi la totalité des réactions métaboliques, on peut distinguer les réactions conduisant à la synthèse de biomasse (réactions d’assimilation/anabolisme) et celles produisant de l’énergie (réactions de dissimilation/catabolisme).
Les substances non biodégradables telles que les métaux lourds, xénobiotiques (= composés artificiels dangereux pour l’environnement) et autres composés organique récalcitrants, ne peuvent pas être (ou seulement très lentement) métabolisés par la biomasse. Ce genre de pollution peut être en partie supprimé de l’eau usée par adsorption sur les particules de boues activées.
Comme c’est écrit au-dessus, les micro-organismes ont besoin d’énergie pour leur métabolisme. Ce besoin d’énergie peut être satisfait grâce à des réactions redox enzymatiques contrôlées dans la cellule bactérienne. L’énergie produite par ces réactions est capturées par les cellules sous forme d’ATP (= adénosine triphosphate). Ces molécules ATP rendent libre l’énergie stockée dans les liaisons chimiques en toute place et dès que cela est nécessaire.
Pour l’oxydation enzymatique du substrat absorbé (donneur d’électron), un capteur d’électron est requis. Ce capteur d’électron est réduit pendant les donneurs d’électrons sont oxydés.
En d’autres termes, les électrons chargés négativement sont transportés des donneurs (substrat organique) jusqu’aux capteurs par voie enzymatique. Ces réactions redox passent donc par plusieurs étapes enzymatiques, qui permettent aux cellules de capturer l’énergie relâchée par ces réactions d’oxydation. L’énergie capturée est ensuite utilisée pour différentes applications (accroissement cellulaire, maintenance cellulaire, réparation, partition, etc.).
Basé sur ce principe de capteur d’électron, 2 sortes de traitements biologiques peuvent être distinguées :

Traitement aérobie (et anoxique) d’eau usée.
Traitement anaérobie d’eau usée.


Description des boues


La boue est un mélange d’une grande variété de bactéries et autres micro-organismes (protozoaires, etc.) vivant sous des conditions aérobies, anoxiques ou anaérobies.
En général, ces bactéries sont divisées en 2 groupes :
• Bactéries aérobies qui ont besoin d’oxygène pour vivre. Ils ont besoin d’oxygène pour leur propre métabolisme (= respiration endogène) et de manière à dégrader le substrat. Dans la plupart des configurations aérobies, il est essentiel qu’elles soient disposées en flocons.
• Bactéries anoxiques qui vivent dans des conditions anoxiques : pas d’oxygène libre présent. Ces bactéries consomment les oxygènes liés des nitrates et nitrites, sulfates, etc. Ils sont capables de consommer de l’oxygène lié au lieu de l’oxygène libre (= O2) pour leur propre métabolisme.

Déshuilage

Un des paramètres influençant la plus fatale du système de la biomasse active est l’entrée des huiles et graisses. Ils sont difficilement biodégradables et ils causent des couches flottantes à la surface des bassins d’aération et de sédimentation, dans lequel une énorme quantité de boues peuvent être conservées, avec la conséquence de moins de boues en suspension et plus solides en suspension dans l’effluent. Les huiles et graisses peuvent formées une mince couche autour du flocon de boue, de sorte que la diffusion de l’oxygène et de composés organiques dans le flocon sont inhibés. Tous les faits mentionnés ci-dessus réduisent l’efficacité du traitement biologique.
Cause de la nature flottante d’huiles et de graisses, les techniques de suppression sont basées sur la flottation de ces composés sur la surface de l’eau, suivie par raclage de cette couche dans un puits ou un déversoir. Si nécessaire, l’ajout d’agents chimiques (coagulation – floculation) peut améliorer l’efficacité de ce processus.
Dans le traitement des eaux usées municipales le dessablage et le déshuilage sont parfois combiné dans un déssableur aéré : les eaux usées sont aérées pour que les bulles d’air coagulent avec particules de l’huile et/ou de graisse et de les rendre flottants à la surface. La sédimentation des particules abrasives ne soit pas troublée ; outre l’aération améliore la séparation des grains et des composés organiques.
Le déssableur enlèvera le sable, l’huile et les graisses de l’eau usée. Un déssableur a deux zones, séparées l’une de l’autre par un rideau composé de bandes :
• Une zone aérée, où le sable est lavé et capturé dans une gouttière au fond ;
• Une zone non-aérée et calme, où l’huile et les graisses sont capturées à la surface.
L’aération du déssableur donne les avantages suivants :
• Réfection de gaz nocifs du liquide
• Rétablir des eaux usées à des conditions aérobies
• Maintenir des légères matières organiques en suspension
• Créer la différence de niveau nécessaire entre la zone aérée et la zone de l’huile et les graisses
• Laver les particules de sable
Un pont aérien s’étend sur toute la longueur, mais la largeur de la raclette de surface n’est qu’un quart de la largeur totale du déssableur/déshuilage.
Les ponts sont équipés de :
• Un système d’air comprimé
• Un racleur à la surface, pour ratisser les matières flottantes
• Une armoire électrique, comprenant les démarreurs des moteurs, les protections, les contrôles et la signalisation de tous les composants électriques sur le pont.
Le mélange eau/sable, pompé par un système d’air comprimé, sont rejetées dans le classificateur de sable où le sable est séparé de l’eau. Les ponts aériens sont fonctionnant alternativement, afin de ne pas surcharger le classificateur de sable. Le système d’air comprimé est alimenté par un compresseur d’air. Un racleur à la surface repousse la matière flottant dans un canal transversal à la fin de la piste. Le racleur est levé quand le pont est sur la course de retour. Le canal transversal est rincé avec de l’eau de service.

Dessablage

laveur de sable
Laveur de sable
Le sable ou le gravier est un composé inorganique à base de silice, qui peut provoquer l’érosion des pompes, des tuyaux et des vannes. En outre, il n’est pas biodégradable et donc augmente la fraction non-active matières en suspension dans le bassin d’aération, ce qui augmentera leurs couts supplémentaire d’énergie.
La meilleure façon d’enlever les grains est par sédimentation gravitaire. Il est toutefois important que seulement les grains se déposent, et non pas les composés organiques, en raison de problèmes d’odeurs par la suite. Par conséquent, à cote de la conception précise, le grain sédimenté sera lavé de temps en temps

Degrillage

Afin de protéger les équipements mécaniques, la plupart des stations d’épuration sont équipés avec des prétraitements physiques.
dégrilleur
La première étape d’une station d’épuration des eaux usées est le plus souvent un traitement d’écran, de sorte que plusieurs composés secondaires comme le papier, les chiffons, les branches, les plastics, … peuvent être retenu par une construction avec des ouvertures de taille uniforme. Cette taille peut varier de 2 mm à 80 mm. Les écrans peuvent être statiques ou en mouvement.

Eau usée: étapes de traitements

Définition

eau usée
On admet que l'homme consomme, en moyenne, 2 litres d'eau par jour pour la boisson et la cuisson des aliments. Cette quantité dépend des conditions climatiques et peut aller jusqu'à 3 ou 5 litres en pays chaud, mais reste faible par rapport à la consommation domestique de l'eau.
Celle-ci peut varier de quelques litres par jour dans les pays sans adduction publique et à faible confort ménager, jusqu'à plusieurs centaines de litres dans les pays très développés. A ces besoins là, l'homme rejeter de l'eau usée.
L’eau usée est un mélange de toutes sortes de composés inorganiques (sable, argile, sels, etc.) et organiques (albumine, sucre, huiles et graisses). Ces composés peuvent se trouver sous forme dissoute ou en suspension. Ces eaux usées ayants un impact négatif sur l'environnement et notre vie humain, c'est comme ça on parle de traitements des eaux.

Pour traiter l'eau, il est besoin de la connaître et donc de pouvoir la caractériser le plus précisément possible. Dans le vocabulaire du traiteur d'eau, certains termes s'écartent sensiblement des termes scientifiques utilisés par ailleurs.

Les paramètres répertoriés ci-dessous sont les plus courants:


Le traitement des eaux usées se fait par des stations d'épurations composée d'une chaîne de traitement comme ce de suite:

Le prétraitement

Les eaux brutes (les usées à l'entré de station)  doivent généralement subir,avant leur traitement proprement dit,un prétraitement qui comporte un certain nombre d'opérations uniquement physiques ou mécaniques. Il est destiné à extraire de l'eau brute la plus grande quantité possible d'éléments dont la nature ou la dimension constituerait une gêne pour les traitements ultérieurs. 
Les opérations de prétraitement sont les suivantes:

Traitement primaire

décanteur
Le traitement primaire est une séparation par décantation peut être réalisée de façon discontinue ou continue. Les procédés discontinus, ou décantation par cuvée, ne sont mis en oeuvre que dans des petites installations de fortune ou dans des stations biologiques à cuvées programmées, dans lesquelles les phases d'aération et de décantation sont réalisées dans une même enceinte. Dans le cas le plus général, le procédé de décantation est continu. l'eau est mis en oeuvre dans des décanteurs. principalement il y a 3 type des décanteur:
  • Décanteurs statiques.
  • Décanteurs à contact de boue.
  • Décanteur à masse de contact.

Traitement secondaire

En parlant d’épuration biologique aérobie, on s’intéresse essentiellement aux composants organiques de cette eau qui sont assimilés pas les bactéries présentes, la plupart des composants organiques étant supprimés par cette étape.

Le traitement biologique généralement se fait par 4 voix:
  • Boue activée.
  • Lagunage.
  • Lit bactérien.
  • Biofiltre et fosse septique.
Le traitement via boue activée est le plus utiliser dans tous le monde.

Volume de boue


        Le volume de boue correspond à la mesure de la vitesse de sédimentation de cette boue. Ce paramètre est utilisé seulement lors de l’analyse d’une boue (aérobie) activée.
       Pour la détermination du volume de boue, on prend 1 litre de boue que l’on laisse décanter 30 minutes dans un cône Imhoff. On peut voir ensuite une ligne de séparation entre le surnageant (eau claire) et la couche de boue au dessous. Après une demi-heure de sédimentation, on mesure le volume de boue présente dans l’éprouvette (en ml). Le résultat étant exprimé en ml/l.

    Pour une STEP, la vitesse de sédimentation d’une boue est un paramètre critique, qui influence grandement la qualité de l’effluent. Une mauvaise décantation des boues débouche sur d’importants problèmes : la séparation entre l’eau traitée et les particules de boues est rendue difficile voire impossible. Une perte accidentelle de boues est généralement observée dans ce cas, ce qui résulte en des concentrations de matières en suspension dans l’effluent très élevées !
       Pour assurer une bonne efficacité de la STEP, un volume de boue de 800 ml/l ou moins doit être atteint. Si le volume de boue est plus grand que 800 ml/l, la phase de sédimentation peut être prolongée (ou le bassin de sédimentation doit être dimensionné plus grand) afin de diminuer la charge de surface. L’effet direct est une réduction du temps d’aération (dans le cas d’un système à batch séquentiel (= diminution du volume actif) ou d’un coût d’investissement plus important.
 Note : cette mesure est effectuée seulement sur des boues activées aérobies.

Matière sèche


La MS représente la concentration en boues après évaporation (à 105 °C) d’un échantillon de boue dans une boite de pétri. La concentration en matière sèche est calculée comme suit:

MS (%) = Poids après séchage (g)/Poids initial (g)

Remarque : 1 % MS = 10 g MS/L.
Les sels dissous qui sont supprimés lors de la filtration pour l’analyse MLSS se retrouvent dans le poids sec d’une analyse en matière sèche. Cela explique pourquoi la MS est toujours plus grande que la MLSS. Evidemment, cette concentration MS dépend de la concentration en sels de l’influent (eau usée à traiter). En conséquence, ce paramètre est le plus imprécis pour caractériser la concentration en boue.

Résidu en cendres


Le résidu en cendres correspond à la partie minérale (= inactive) de la boue. Il est déterminé en brûlant une quantité connue de boue sèche à 550°C. La différence de poids avant et après l’incinération reflète la fraction organique de la boue activée ; le poids restant représente la partie minérale, fraction de cendres inorganiques.
Le résidu en cendres dépend fortement de la composition de l’eau usée à traiter et de l’âge de la boue. Plus les boues sont âgées, plus le résidu en cendres de la biomasse est important (accumulation). Il est évident que l’accumulation est plus rapide lorsqu’il y a déjà une importante fraction inorganique dans l’influent.
De larges variations de concentrations de résidus en cendres peuvent être observées dans les stations d’épuration, des valeurs de 10 % à 50 % sont considérées normales.

Matières en suspension volatiles

La MESV représente la partie organique de la boue et est calculé comme suit :
                                  
                                     MLVSS (glL) = MLSS (g/L) x (1 – résidu en cendres (%))

La MLVSS est considérée comme la mesure la plus exacte de concentration en boue, car ce paramètre représente seulement la partie organique/active de la boue laissant à part la fraction inerte que sont les cendres.