Procédé de traitement des eaux usées par voie biologique

 Procédé de traitement des eaux usées par voie biologique 

Les stations d’épuration en France 

D’après la Base de Données des Eaux Résiduaires Urbaines (BDERU) du ministère de l’écologie, du développement durable et de l’énergie, la France métropolitaine comptait environ 19 500 stations en 2012 (BDERU 2012). Elles ont été dimensionnées pour traiter une charge de 98 millions d’équivalents habitants (EH, 1 EH = 60 g DBO5) et ont traité une charge maximale de 76 millions d’EH pour une population métropolitaine estimée par l’INSEE à 63,7 millions d’habitants en 2012. Les stations d’épuration du type boues activées représentent en nombre 36 % des stations et traitent 73 % de la charge polluante de la France métropolitaine. Le bilan assainissement de l’Onema (Golla et al. 2010) a mis en évidence que 91% des stations ayant une capacité de traitement supérieure à 2 000 EH sont du type boues activées. Cette filière de traitement est en effet bien maîtrisée et adaptée pour le traitement des paramètres visés par la directive ERU (matière organique, azote et phosphore).

Les stations d’épuration à boues activées

Les stations d’épuration à boues activées se déclinent suivant trois domaines caractérisés par leur charge massique (Cm) :
• Forte charge : Cm > 0,5 kg DBO5 (kg MVS)-1 j-1;
• Moyenne charge : 0,2 < Cm < 0,5 kg DBO5 (kg MVS)-1 j-1;
• Faible charge : 0,1 < Cm < 0,2 kg DBO5 (kg MVS)-1 j-1;
• Très faible charge : Cm < 0,1 kg DBO5 (kg MVS)-1 j-1.

Les stations du type boues activées très faibles charge et/ou aération prolongée représentent en nombre la plus grande partie des stations à boues activées et traitent également la plus grande part de la pollution. Ce procédé a l’avantage de permettre un traitement poussé de l’azote en appliquant des âges de boues longs (> 15 jours à 12°C) qui sont favorables au développement de la biomasse correspondante.

Principe des stations d’épuration à boues activées très faible charge

Description du procédé

Les eaux usées urbaines sont collectées et acheminées via le réseau d’assainissement vers la station d’épuration. Les eaux de pluie peuvent être collectées par le même réseau, ou à l’aide d’un réseau spécifique (un réseau séparatif).

Après l’arrivée au poste de relèvement, l’eau usée passe par une étape de prétraitement qui comprend un dégrillage, un dégraissage et un dessablage. L’eau prétraitée peut être acheminée vers un décanteur primaire (selon la taille de l’installation). Elle est ensuite mise en contact avec les micro-organismes qui consomment la pollution organique, la pollution azotée et phosphorée pour leur croissance. Cette étape, appelée traitement biologique, consiste à éliminer le carbone et à nitrifier l’azote en phases aérées, puis à dénitrifier les nitrates lors de phases anoxiques (absence d’oxygène mais présence de nitrates). Une phase anaérobie (absence d’oxygène et de nitrates) peut être mise en place et ainsi permettre la déphosphatation biologique. Ce procédé peut être complété par un traitement physicochimique. La clarification permet la séparation de l’eau traitée et de la boue formée dans le bassin biologique. C’est généralement l’ultime étape avant le rejet en milieu naturel, un traitement tertiaire peut éventuellement être mis en place pour affiner les rendements d’abattement. Les boues formées lors du traitement sont recirculées vers le bassin biologique afin de maintenir une concentration constante en micro-organismes. Les boues en excès sont extraites du système, généralement après épaississement dans le clarificateur.

Les biomasses épuratrices

Les boues activées sont constituées de biomasse, de matière organique et inorganique sous forme particulaire et soluble, maintenues en suspension dans les bassins biologiques. Les conditions d’exploitation ont pour objectif de favoriser la croissance des micro-organismes sous forme floculée formant ainsi des agrégats biologiques et permettant leur décantation dans le clarificateur.

L’écosystème des boues activées est très complexe. Des archées, des protozoaires et métazoaires (eucaryotes microscopiques) cohabitent avec différentes souches bactériennes qui se distinguent en deux grands types de biomasse :
♦ La biomasse hétérotrophe : principale composante responsable de la dégradation de la pollution organique en conditions aérobies ou anoxiques ;
♦ La biomasse autotrophe : responsable entre autres des réactions d’oxydation de l’ammonium en conditions aérobies.

La microfaune 

Les protozoaires et métazoaires sont des organismes prédateurs des bactéries libres. Ils participent à la clarification du liquide interstitiel ainsi qu’à la cohésion des flocs.

Les bactéries responsables de la dégradation des matières carbonées 

Le carbone organique est généralement la principale source de pollution à éliminer. Le carbone est également le constituant de base de tout organisme vivant. De nombreux organismes sont amenés à consommer du carbone et donc à participer à sa dégradation. Ce sont majoritairement les bactéries hétérotrophes qui vont dégrader le carbone organique, en conditions aérobies, anaérobies ou anoxiques.

Les bactéries responsables de la dégradation de l’azote

La dégradation de l’azote se déroule en deux étapes, la nitrification (oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite puis en nitrates) et la dénitrification (réduction des nitrites et nitrates en diazote).

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I. SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. PROCÉDÉ DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES PAR VOIE BIOLOGIQUE
I.1.1. LES STATIONS D’ÉPURATION EN FRANCE
I.1.2. PRINCIPE DES STATIONS D’ÉPURATION À BOUES ACTIVÉES TRÈS FAIBLE CHARGE
I.1.3. LES BIOMASSES ÉPURATRICES
I.2. LES AGRÉGATS BIOLOGIQUES DES BOUES ACTIVÉES
I.2.1. CARACTÉRISATION DES AGRÉGATS BIOLOGIQUES
I.2.2. COHÉSION DES AGRÉGATS BIOLOGIQUES
I.3. LES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES DUS À UNE PROLIFÉRATION EXCESSIVE DE BACTÉRIES FILAMENTEUSES
I.3.1. DESCRIPTION DES DYSFONCTIONNEMENTS OBSERVÉS
I.3.2. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS EN FRANCE ET IDENTIFICATION DES BACTÉRIES FILAMENTEUSES IMPLIQUÉES
I.3.3. CAUSES POTENTIELLES DES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES ET RECOMMANDATIONS POUR LIMITER LEUR OCCURRENCE
I.4. TECHNIQUES DE LUTTE CONTRE LE DÉVELOPPEMENT EXCESSIF DES BACTÉRIES FILAMENTEUSES
I.4.1. UNE SOLUTION PRÉVENTIVE : LA ZONE DE CONTACT
I.4.2. DIFFÉRENTS TRAITEMENTS CURATIFS
I.5. CONCLUSIONS ET OBJECTIF DE L’ÉTUDE
CHAPITRE II. MATÉRIEL ET MÉTHODE
II.1. MISE EN PLACE D’UNE ENQUÊTE NATIONALE SUR LES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES DES STATIONS D’ÉPURATION À BOUES ACTIVÉES
II.1.1. DÉFINITION DE LA TAILLE DE L’ÉCHANTILLON
II.1.2. MÉTHODE D’ÉCHANTILLONNAGE
II.1.3. QUESTIONNAIRE
II.1.4. COLLECTE DES DONNÉES
II.1.5. ANALYSES STATISTIQUES
II.2. MESURES RÉALISÉES SUR LE PILOTE SEMI-INDUSTRIEL
II.2.1. LE PILOTE
II.2.2. DÉROULEMENT DES ESSAIS
II.2.3. MESURES RÉALISÉES
II.3. ANALYSE DU FONCTIONNEMENT DU PILOTE
II.3.1. PROCÉDURE D’ANALYSE DES DONNÉES
II.3.2. BILANS HYDRAULIQUE ET MASSIQUES
II.3.3. CHARGE MASSIQUE, ÂGE DE BOUES ET PERFORMANCE ÉPURATOIRE
II.3.1. QUANTITÉ MAXIMALE DE PHOSPHORE À PRÉCIPITER PAR VOIE PHYSICO-CHIMIQUE
II.4. MODÉLISATION DYNAMIQUE DU FONCTIONNEMENT DU PILOTE
II.4.1. CALAGE ET VALIDATION DES DONNÉES
II.5. OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES
II.5.1. MICROSCOPIE CLASSIQUE
II.5.2. L’HYBRIDATION IN SITU DE SONDES FLUORESCENTES (FISH)
II.5.3. MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE
II.6. TECHNIQUES DE BIOLOGIE MOLÉCULAIRE
II.6.1. EXTRACTION DE L’ADN GÉNOMIQUE
II.6.2. SUIVI DE POPULATIONS PAR PCR QUANTITATIVE
II.6.3. ÉTUDE DE LA BIODIVERSITÉ PAR ÉLECTROPHORÈSE EN GRADIENT DE GEL DÉNATURANT (DGGE)
II.6.4. INVENTAIRE MOLÉCULAIRE
CHAPITRE III. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES ET ÉTAT DES LIEUX DES TRAITEMENTS CURATIFS EN FRANCE
III.1. CARACTÉRISTIQUES DES INSTALLATIONS ÉCHANTILLONNÉES
III.1.1. TRAITEMENT DE L’AZOTE
III.1.2. TRAITEMENT DU PHOSPHORE
III.1.3. TAUX DE CHARGE HYDRAULIQUE ET ORGANIQUE
III.1.4. CHARGE MASSIQUE ET ÂGE DE BOUES
III.1.5. SUIVI DE LA DÉCANTATION
III.2. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES
III.2.1. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES SUR LA STRATE 5
III.2.2. DYSFONCTIONNEMENTS BIOLOGIQUES AVÉRÉS
III.2.3. SYNTHÈSE SUR L’OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS
III.3. LIENS ENTRE L’OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS ET LE FONCTIONNEMENT DES INSTALLATIONS
III.3.1. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS SELON LE MODE DE TRAITEMENT DU PHOSPHORE
III.3.2. OCCURRENCE DES DYSFONCTIONNEMENTS SELON LE TAUX DE CHARGE HYDRAULIQUE ET ORGANIQUE DE LA STATION
III.4. FACTEURS À L’ORIGINE DES DYSFONCTIONNEMENTS
III.5. MESURES MISES EN ŒUVRE POUR LUTTER CONTRE LES DYSFONCTIONNEMENTS
III.6. CONCLUSIONS
CHAPITRE IV. CONSOLIDATION DES DONNÉES REQUISES POUR L’ANALYSE DU FONCTIONNEMENT DU PILOTE ET LE SUIVI QUANTITATIF DES BIOMASSES
IV.1. CONDITION DES MESURES
IV.2. CARACTÉRISATION DU FONCTIONNEMENT DU PILOTE
IV.2.1. CONSOLIDATION DES DONNÉES
IV.2.2. ANALYSE DES DONNÉES DE FONCTIONNEMENT DU PILOTE
IV.2.3. MODÉLISATION DU FONCTIONNEMENT DU PILOTE POUR LE SUIVI ALCL3
IV.2.4. CONCLUSIONS
IV.3. INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS OBTENUS EN PCR QUANTITATIVE
IV.3.1. VARIABILITÉ DUE À L’EXTRACTION DE L’ADN GÉNOMIQUE
IV.3.2. QUANTIFICATION DES POPULATIONS D’INTÉRÊT
IV.3.1. CONCLUSIONS
CONCLUSION GÉNÉRALE

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