COMPOSITION ET PROPRIETES DU FLOC BIOLOGIQUE

COMPOSITION ET PROPRIETES DU FLOC BIOLOGIQUE

La boue activée apparaît comme une suspension de particules floconneuses de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres de diamètre, ou flocs, constituées de bactéries, de matières organiques inertes ou minérales, maintenues par une substance mucilagineuse, produit de l’activité bactérienne. Une boue activée normale contient également une microfaune abondante de Protozoaires et petits métazoaires.
Les populations microbiennes des boues activées sont complexes et ne peuvent se définir qu’au moyen des principaux groupes écologiques : bactéries, champignons, protozoaires et métazoaires. L’essentiel de l’épuration est dû à des bactéries Gram négatives, mobiles, parmi lesquelles nous citerons : Pseudomonas, Aeromonas,Arthrobacter, lavobacter, Achromobacter, Alcaligenes. Il faut également signaler certaines espèces dont la présence est gênante dans la mesure où elles interviennent pour contrarier la décantation des boues : ce sont les bactéries filamenteuses dont l’espèce la plus connue est le Sphaerotilus. Ces bactéries se développent souvent dans les milieux déséquilibrés en azote et riches en éléments facilement assimilables (cas des rejets de laiteries, de sucreries). La microfaune est représentée surtout par des protozoaires, organismes prédateurs de taille comprise entre 20 et 200 µm. On y trouve des flagellés, des rhizopodes et surtout des ciliés. Les métazoaires, de taille supérieure (100 à 150 µm) sont peu représentés ; ce sont surtout des rotifères, parfois des nématodes et des vers cligochètes. La plupart des protozoaires des boues activées sont bactériophages. Ils semblent présenter une certaine spécificité et de plus ne se nourrissent que de bactéries disponibles, c’est-à-dire non floculées et en suspension ou à la surface du floc. De ce fait, ils peuvent jouer un rôle important dans la clarification des effluents.
L’examen de la microfaune prédatrice est très révélateur de l’état d’une boue activée et il constitue, pour un biologiste, le plus sûr moyen de diagnostiquer le fonctionnement d’un bassin de boues activées et de connaître les éventuelles solutions à apporter en cas de mauvais fonctionnement.

TYPE DE CROISSANCE DES BACTERIES

La population bactérienne possède trois types différents de croissance : DISPERSEE : Les bactéries sont libres les unes par rapport aux autres dans le liquide interstitiel. Cette situation s’observe lors du démarrage de la station, en condition de forte charge massique. Les nouvelles cellules peuvent se disperser ou bien rester groupées au sein d’une colonie structurée par un mucilage exoploysaccharidique.
FLOCULEE : Les bactéries sont regroupées en amas, très souvent autour d’un support organique ou minéral (le floc). La cohésion de l’ensemble est assurée par la production d’exopolysaccharides (EPS). Ce type de croissance est recherché dans le traitement de l’eau usée pour faciliter la séparation floc bactérien-eau traitée au niveau du clarificateur et garantir une bonne qualité de l’eau rejetée.
FILAMENTEUSE : Lors de la multiplication cellulaire, la séparation des cellules mère et fille n’a pas lieu en totalité, les cellules mère et fille restent en contact voire partagent une paroi cellulaire. Ce type de croissance, que l’on observe également chez les champignons conduit à la formation de filaments pouvant atteindre 500 µm de long. Les conditions du milieu sont un facteur déterminant.

ÉLIMINATION DE LA POLLUTION AZOTÉE

La dégradation bactérienne de la pollution azotée s’effectue en plusieurs étapes L’AMMONIFICATION : Il s’agit de la transformation de l’azote organique (c’est-à- dire lié à un radical carboné) en azote ammoniacal, réalisée par des réactions de type hydrolyse, désamination oxydative et désamination réductive.
L’ASSIMILATION : Il s’agit de l’utilisation d’une partie de l’azote ammoniacal pour la synthèse cellulaire, c’est-à-dire comme élément constitutif de la biomasse.
LA NITRIFICATION : Cette réaction réalise l’oxydation par voie biologique de l’azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates en faisant intervenir des micro-organismes strictement aérobies caractérisés par un métabolisme autotrophe vis-à-vis du carbone, c’est-à-dire qu’ils synthétisent leur matière vivante à partir du carbone minéral (carbonate).
LA DENITRIFICATION : Consiste en la réduction des nitrates formés en azote gazeux par des bactéries hétérotrophes placées dans un milieu pauvre en oxygène. L’oxygène combiné des nitrates sert à dégrader le carbone organique nécessaire à la croissance de ces bactéries .

MECANISME DE L’ELIMINATION BIOLOGIQUE DU PHOSPHORE

Le principe de la déphosphatation biologique consiste en une suraccumulation de phosphore dans une biomasse. Si des teneurs de 2 à 3 % en phosphore dans les boues sont obtenues sous des conditions normales de dégradation d’un substrat organique, le mécanisme de suraccumulation nécessite de placer la biomasse alternativement en phase anaérobie (sans oxygène même lié à un composé chimique) et aérobie .
En globalité, une biomasse déphosphatante, dans laquelle bien entendu existent d’autres bactéries, pourra stocker jusqu’à 6 % de son poids sec en phosphore. Les réactions intervenant dans chaque zone peuvent être résumées ainsi :
ZONE ANAEROBIE : Synthèse de réserves de polyhydroxybutyrate (PHB) via les ions acétate produits à partir du substrat organique de l’eau à traiter, relargage par les micro-organismes déphosphatants du phosphore intracellulaire .
ZONE AEROBIE : Suraccumulation du phosphore sous forme de granulés de polyphosphate, consommation des réserves de PHB.
Ces phénomènes, indispensables au processus de déphosphatation biologique, vont conditionner la conception des filières de traitement
Le schéma de base devra comporter au moins une zone anaérobie où se produira le relargage du phosphore et au moins une zone aérée où les réactions de sur assimilation se réaliseront.

AERATEURS A VITESSE LENTE

AERATEUR A VITESSE LENTE A AXE VERTICAL : Les aérateurs de cette catégorie, la plus ancienne, génèrent un écoulement axial ascendant dans les bassins. L’eau est aspirée depuis le fond du bassin puis est projetée latéralement dans l’air. Ils créent donc un flux de renouvellement du liquide aussi élevé que possible à l’interface air-liquide.
Le rôle des bulles formées par le déferlement des instabilités de surface devient mineur devant l’apport d’oxygène dû au renouvellement rapide de la surface. Ces aérateurs ont une grande capacité de mise en circulation du liquide et un bon taux de transfert de l’oxygène, mais souffrent de coûts d’achat et de maintenance élevés.
Ces systèmes génèrent également un certain risque de nuisances (aérosols, bruits, odeurs nauséabondes) qui peuvent être réduites par une couverture de la gerbe complétée d’une insonorisation du groupe motoréducteur. La vitesse périphérique en bout de pales varie entre 4 et 5 m · s-1, ce qui correspond à des vitesses de rotation allant de 40 tr · min-1 pour les mobiles les plus puissants (75 kW) à 100 tr · min-1 pour les petites unités . La puissance volumique consommée varie de 30 à 80 W · m. AERATEUR A VITESSE LENTE A AXE HORIZONTAL : Ces appareils sont similaires aux aérateurs à axe vertical du fait de leurs fonctions simultanées d’oxygénation par projection aérienne et de brassage par mise en mouvement de la masse liquide. Ils sont destinés à des bassins d’aération en boucle fermée (chenaux) de profondeur modérée, dans lesquels ils induisent un flux horizontal. Pour ces aérateurs, les mobiles d’agitation sont des cylindres horizontaux (appelés aussi brosses) sur lesquels sont soudées des pales de formes diverses.
Le diamètre des rouleaux varie de 0,7 à 0,9 m et la puissance volumique dissipée est de l’ordre de 30 W · m Avec des rouleaux de 0,7 m de diamètre, la vitesse périphérique en bout de pales est de 4 m · s-1 environ . Les avantages de ces systèmes résident dans une bonne capacité de mélange et dans un bon taux de transfert de l’oxygène, mais leur coût d’achat reste élevé.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT D’UNE STEP A BOUES ACTIVEES
I.1 Principe
I.2. Les étapes de traitement
I.2.1. Les prétraitements
I.2.1.1. Dégrillage
I.2.1.2. Dessablage
I.2.1.3. Dégraissage-Déshuilage
I.2.2. Traitement primaire
I.2.3. Traitement secondaire
I.2.3.1.Procédé à cultures libres
I.2.3.1.1. Description
I.2.3.1.2. Composition et propriétés du floc biologique
I.2.3.1.3. Type de croissance des bactéries
a) Dispersée
b) Floculée
c) Filamenteuse
I.2.4. Traitement tertiaire
I.2.5. Traitement des boues
I.2.6. Autosurveillance
I.3. Elimination de la pollution azotée
a) L’ammonification
b) L’assimilation
c) La nitrification
d) La dénitrification
I.4. Mécanisme de l’élimination biologique du phosphate
a) Zone anaérobie
b) Zone aérobie
I.5. Grandeurs caractéristiques du traitement biologique
I.5.1. Facteurs lies à l’épuration biologique
I.5.1.1. Charge massique
I.5.1.2. Charge volumique
I.5.1.3 Age des boues
I.5.1.4. Production journalière de boues
Chapitre II : LES SYSTEMES D’AERATION DES STATIONS D’EPURATION A BOUES ACTIVEES
II.1. Aérateurs de surface
II.1.1. Aérateurs à vitesse lente
II.1.1.1. Aérateur à vitesse lente à axe vertical
II.1.1.2. Aérateur à vitesse lente à axe horizontal
II.1.2 Aérateurs à vitesse rapide
II.1.2.1. Aérateur à vitesse rapide à axe vertical
II.1.2.2. Aérateur à vitesse rapide à axe horizontal
II.2. Aérateurs de fond
II.3. Hydroejecteurs
II.4. Aérateurs par air surpressé
II.5. Aérateurs mixtes : Fonction aération /agitation séparée
II.6. Condition requise pour le brassage des systèmes d’aération
II.7. Performance des systèmes d’aération
II.7.1. Notion de transfert d’oxygène
II.7.2. Etape impliquées dans le processus de transfert d’oxygène
II.7.3. Equation du transfert d’oxygène
II.7.4. Détermination expérimentale du coefficient de transfert de masse volumétrique
II.7.5. Détermination du coefficient de transfert de masse globale de l’aération à l’état non stationnaire de l’eau du robinet
II.7.6. Aération à l’état non stationnaire de la liqueur de boues activées
II.7.7. Capacité d’oxygénation
II.7.8. Effet des caractéristiques des eaux usées sur le transfert de l’oxygène
Chapitre III : LES SYSTEMES DE DECANTATION ET LES PROBLEMES DE DECANTATION
III.1. Différents types des décanteurs
III.1.1. Décantation d’ultrafines en suspension diluée
III.1.1.1. Décanteur statistique
III.1.1.2. Décanteur accéléré
III.1.1.2.1. Décanteur à lit de boues et recirculation de boues
III.1.1.2.2. Décanteurs à plaques et tubes
III.1.2.2. Décanteur –épaississeurs de suspension
III.1.2.1. Décanteurs circulaires classiques
III.1.2.2. Décanteurs circulation à étages
III.1.2.3. Décanteurs circulation à courants antagonistes
III.1.2.4. Décanteurs rectangulaires
III.2. Typologie des difficultés de décantation
III.2.1. Les Principaux problèmes de décantation
III.2.1.1. Les difficultés liées à la floculation des boues
III.2.1.1.1. Croissance dispersée
III.2.1.1.2. Défloculation
III.2.1.2. Les difficultés liées à la densité des boues
III.2.1.2.1. Fermentation des boues
III.2.1.2.2. Dénitrification « sauvage » dans le décanteur
III.2.1.2.3. Mousses stables
III.2.1.3. Difficultés liées à la compaction des boues
III.2.1.3.1. Gestion de la concentration des boues
III.2.1.3.2. Le foisonnement
III2.1.3.2.1. Les cause de foisonnement
III.2.1.3.2.2. Les principaux mécanismes de développement des germes filamenteux
Chapitre IV : MATERIELS ET METHODES
IV.1. Méthodes d’analyses des paramètres de pollution
IV.1.1. Matières en suspension (MES)
IV.1.2. Demande biologique en oxygène (DBO5)
IV.1.3. Demande chimique en oxygène (DCO)
IV.1.4. Ammonium (NH4+)
IV.1.5. Nitrate (NO3-)
IV.1.6. Phosphate (PO34-)
IV.2. Détermination expérimentale de l’indice de boues
IV.2.1. Définition de l’indice de boue (IB)
IV.2.2. Matériels
IV.2.3. Protocole de calcul
IV.2.4. Exemple de calcul
IV.3. Vitesse ascensionnelle
IV.3.1. Définition de la vitesse ascensionnelle
IV.3.2. Exemple de calcul de la vitesse ascensionnelle
IV.4. Détermination les paramètres fondamentaux du clarificateur
IV.4.1 Calcul de la charge massique (Cm)
IV.4.2. Calcul de la production journalière de boues (ΔMES)
IV.4.3. Calcul de l’âge de boues (A)
IV.5. Observations microscopiques des boues
IV.5.1. Observation à l’état frais
IV.5.2. Procédure de la coloration de GRAM
IV.5.3. Procédure de la coloration de bleu de méthylène
Chapitre V : ETUDE DE LA STATION D4EPURATION A BOUES ACTIVEES DE SOUK-AHRAS
V.1. Description et diagnostic de la STEP de Souk-Ahras
V.1.1. Finalité du traitement
V.1.2. Bassin d’aération
V.1.3. Clarificateur
V.1.4. Filière de traitement adoptée
V.1.5. Les problèmes rencontrés
V.2. Résultats et discussion
V.2.1. Paramètres de pollution
V.2.1.1. MES
V.2.1.2. DCO
V.2.1.3. DBO5
V.2.1.4. NH4+ V.2.1.5. NO3
V.2.1.6. PO3
V.2.2. Détermination les paramètres fondamentaux du clarificateur
V.2.2.1. La charge massique et l’âge de boues
V.2.2.2. L’indice de boues
V.2.2.3. La vitesse ascensionnelle
V.2.3. Observation microscopique de boues activées
Chapitre VI : ETUDE DE LA STATION D’EPURATION A BOUES ACTIVEES DE SEDRATA
VI.1. Description et diagnostic de la STEP de Sedrata
VI. 1.1. Bassin d’aération
VI.1.2. Clarificateur
VI.1.3. Filière de traitement adoptée
VI.2. Résultats et discussion
VI.2.1. Paramètres de pollution
VI.2.1.1. MES
VI.2.1.2. DCO
VI.2.1.3. DBO5
VI.2.1.4. NH4+ et NO3
VI.2.1.5. PO3
VI.2.2. Détermination les paramètres fondamentaux du clarificateur
VI.2.2.1. La charge massique et l’âge de boues
VI.2.2.2. L’indice de boues
VI.2.2.3. La vitesse ascensionnelle
VI.2.3. Observation microscopique de boues activées
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES