Boue activée

Le procédé dit « à boues activées » utilise l'épuration biologique dans le traitement des eaux usées. C'est un mode d’épuration par cultures libres. Dans une filière de traitement des eaux (i.e. les différentes phases d'épuration pour une station donnée), le procédé à boues activées fait partie des traitement secondaires.

Historique

Ce procédé est dû à l'observation à Manchester de ARDEN et LOCKETT^[1]. Ils mettront au point la technique d'abord dans un seul bassin puis par la suite, amélioreront par l'ajout d'autres bassins et étapes.

Principe

Traitement biologique avec apport artificiel de oxygène.

Quatre principales utilisations spécifiques du procédé à boues activées :^[2]

• Élimination de la pollution carbonée (matières organiques)
• Élimination de la pollution azotée
• Élimination biologique du phosphore
• Stabilisation des boues : procédé dit d'« aération prolongée » ou « digestion aérobie »

L'épuration par boues activées consiste à mettre en contact les eaux usées avec un mélange riche en bactéries par brassage pour dégrader la matière organique en suspension ou dissoute. Il y a une aération importante pour permettre l'activité des bactéries et la dégradation de ces matières, suivie d'une décantation à partir de laquelle on renvoie les boues riches en bactéries vers le bassin d'aération.

Domaine d'application

La technique des boues activées est appropriée pour des eaux usées domestiques d'agglomérations à partir d'environ 400 équivalent-habitants, jusqu'aux plus grandes villes. Elle existe néanmoins pour des installations individuelles, quoique le procédé ne soit pas assez éprouvé. Les effluents industriels ou agroalimentaires sont très variables, et peuvent selon les cas être traités par ce processus, avec souvent une adaptation à leur nature et caractéristiques.

Éléments d'une station à boues activées

Un procédé à boues activées visant à éliminer les matières organiques (pollution carbonée, parfois azotée et/ou phosphaté) comprend les éléments suivants :

• bassin d'aération, une à quatre phases sont réalisées dans ce bassin, selon le type et le niveau de traitement souhaité :
  • Dans tous les cas, un bassin avec apport d'air (turbine ou diffusion de micro bulles) de manière à obtenir une teneur en oxygène dissous suffisante pour l'activité biologique afin de permettre l'élimination du carbone et, si besoin, la nitrification des composés azotés.
  • Dans le cas du traitement de l'azote, une ou deux étapes anoxiques permettant de dénitrifier les composés azotés.
  • Dans le cas du traitement du phosphore par voie biologique, une étape anaérobique (généralement en amont de tous les autres bassins).
  • Dans le cas du traitement de l'azote, une recirculation des boues mixtes du bassin aéré vers le 1er bassin anoxique.

• bassin de décantation secondaire (dit aussi clarificateur):

L'eau épurée est évacuée par surverse dans le milieu naturel (sauf traitement tertiaire).

Les boues quant à elles, produites dans le premier bassin, décantent naturellement et sont renvoyées en plus grande partie vers le bassin d'aération (recirculation), la partie excédentaire est dirigée vers un circuit de déshydratation ou un stockage spécifique.

Action des micro-organismes

• La boue activée est composée essentiellement de micro-organismes hétérotrophes qui ont dégradé les matières organiques, et des produits de dégradation, dont les matières azotées, dégradées en nitrates. L'introduction d'oxygène par aération est donc indispensable à leur action. Les micro-organismes sont maintenus en mélange intime avec l’eau à traiter et ainsi, entrent constamment en contact avec les polluants organiques des eaux résiduaires.

• La dégradation éventuelle du nitrate (en diazote) peut être provoquée en plaçant les boues en conditions anoxiques (présence de nitrate, absence d'oxygène), soit par phase dans le bassin d'aération (celle-ci étant interrompue) soit dans une partie séparée du traitement (préciser: digestion anaérobie?). Cette dégradation est faite par des bactéries spécifiques.

• La reproduction des micro-organismes intervient en conditions favorables, lorsque leur croissance est importante et que les bactéries se mettent à se diviser. Les exo-polymères qu'elles sécrètent leur permettent de s'agglomérer en flocs décantables (c’est la floculation). Les conditions d'opération choisies sont celles qui favorisent la décantation de ces flocs. Afin de maintenir une biomasse bactérienne suffisante, la boue est recyclée par pompage dans le bassin de décantation secondaire (la boue extraite est re-circulée vers le bassin de traitement aérobie). Une part du travail de gestion et de dimensionnement d'un système à boues activées consiste à gérer cette biomasse. Celle-ci peut être rendue insuffisante par une recirculation trop faible, une intoxication des bactéries par une pollution massive, une trop forte arrivée d'eau (phénomène de rinçage), ou bien à la mise ou remise en service, qui implique une mise en charge progressive.

Bassins d'aération

L'aération des eaux résiduaires a lieu dans les bassins contenant les boues activées, qui ont une forme appropriée en fonction du système d'aération, du mode d'introduction des eaux et de la boue activée. On appelle ces bassins : bassins d'aération, bassins à boues activées ou encore bassins d’oxydation. L'aération peut être assurée en surface par des turbines, ou dans le fond par des procédés de rampe de distribution de bulles d'air alimentées par un surpresseur ou par un compresseur d'air. Les rampes de distribution sont complétées par des diffuseurs d'air dites grosses bulles ou fines bulles, suivant l'efficacité recherchée. Le rendement de transfert d'air dans l'eau peut être amélioré par l'augmentation de la hauteur d'eau (uniquement pour les rampes de distribution).

Les besoins journaliers en oxygène sont en rapport avec la charge organique journalière et son mode de dégradation, ainsi que la quantité d'azote à nitrifier. Bien que la dégradation de la pollution carbonée s'arrête lors du cycle de Kreps, il faut réoxyder les molécules transporteuses d'hydrogènes de ce cycle via la respiration (cette voie capte son électron en réoxydant ces molécules). Hors la respiration nécessite un accepteur d'électrons, soit un substrat respirable oxydé tel que l'oxygène. Finalement, l'oxygène apporté est utilisé dans la voie de la respiration pour produire de l'énergie, voie qui va réalimenter le cycle de Kreps, permettant ainsi une dégradation continue de la MO. Lors de la dénitrification, c'est l'oxygène des nitrates qui est utilisé. Ainsi, les besoins en oxygène sont calculés à partir des besoins des chaînes respiratoires bactériennes et des besoins pour la nitrification. La quantité à apporté en oxygène correspond alors à ces besoins moins l'économie faite lors de la respiration des nitrates. Les besoins en oxygène différent donc de la quantité à apporter.

• Pour la respiration, on en distingue deux types :

-la respiration exogène, celle qui dégrade la pollution : a*flux de DBO5 -la respiration endogène, pour la respiration des organites cellulaires : b*Qté de biomasse

a et b étant des coefficients fonction de la charge massique.

Alors, les besoins en oxygène pour la respiration sont : a*flux de DBO5 + b*Qté de biomasse

• Besoin pour nitrification : 4,18* (NTKentré-5%DB05)

Besoin total en oxygène = a*flux de DBO5 + b*Qté de biomasse + 4,18* (NTKentré-5%DB05)

- Economie par dénitrification = 2,86* (NTKentré-5%DB05)*0,7 car 70% d'éfficacité.

= Q02 à apporter

Éléments sommaires de dimensionnement

Clarificateur

Données concernant l'effluent

• Volume produit par équivalent-habitant (eqh) : environ 150 l/jour en France (à titre de comparaison, elle est de plus de 400 l/j aux États-Unis et au Canada)
• Charge organique par eqh : environ 45 à 60 g de DBO5 /j en France. La valeur utilisée en France est 60g/j de DBO5 pour un eqh, cette valeur est fixée par l'article R.2224-6 du code des collectivités territoriales. D'un point de vue juridique, dans tous les textes de l'Union Européenne, la valeur retenue de l'eqh est de 60g/j de DBO5.
• Azote produit par eqh : 15 g[N]/j en France
• Matières en suspension par eqh : 90 g[MES]/j en France
• Phosphore par eqh : environ 1.5 g[P]/j en France en 2008
• le nombre d'habitant de la zone
• le débit journalier en m3/h
• le débit de pointe en m3/h

Dimensionnement

• Temps de séjour dans le bassin d'aération : 20 à 50 heures
• Temps de séjour dans le clarificateur : 5 à 10 heures
• Puissance installée d'aération :
• Volume du bassin d'aération par équivalent-habitant (eqh) : environ 0,2 m3
• Volume du clarificateur par eqh : environ 0.05 à 0,1 m3 (50 à 100 L)
• Recirculation des boues (du bassin de décantation vers le bassin d'aération) : 5 à 10 % des boues sont extraites du circuit chaque jour, soit un "âge des boues" de 10 à 20 jours, à partir du bassin d'aération ou de décantation, en fonction de leur concentration dans le bassin d'aération et de la quantité présente dans le bassin de décantation.
• Production de boue par eqh et par jour : 30 à 60 g de matière sèche par jour soit 1 à 3 litres de boues non épaissies.
• dans le réacteur biologique (ou bassin d'aération) la biomasse doit être approximativement égale à 10X la quantité de matière organique entrante chaque jour

Notes et références

3. Cinétique des boues activées (Y. Heymann, 2010)

Voir aussi

• Écologie
• Environnement
• Boues d'épuration

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