notions techniques et pratiques sur l'épuration de l'eau...

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Ecologie

Notions techniques et pratiques

sur l’épuration de l’eau

et l’évacuation des boues


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Index Introduction technique p. 3.0 Caractéristiques des formateurs de flocons p. 5.0

Caractéristiques des formateurs de filaments p. 5.1

Formation de la boue activée p. 5.2

Principaux facteurs nécessaires au transfert de la DBO p. 6.0

Théorie sur la boue grasse p. 6.1

Conversion de la nourriture en matière p. 7.0

Effets des boues jeunes sur le traitement p. 8.0

Des boues jeunes plus efficaces p. 8.1

Effets des boues vieilles sur le traitement p. 9.0

Pourquoi les boues vieilles se révèlent inutiles ? p. 10.0

Les conditions optimales p. 11.0

L’accumulation des solides p. 11.1

Qu'est-ce qui constitue l'augmentation quotidienne de solides ? p. 12.0

Qu’advient-il après la phase aérée ? p. 12.1

Les fonctions du sédimenteur final p. 13.0

Evacuation des boues du sédimenteur p. 15.0

Facteurs liés à la sédimentation p. 15.1

Qu’est-ce qui rend les micro-organismes malades ? p. 17.0

Choc de charge organique p. 17.1

Effet du pH p. 19.0

Effet des charges toxiques p. 19.1

Effet de la température p. 20.0

Effets de l’oxygène dissous et du mélange p. 20.1

Les principaux micro-organismes indicateurs de la qualité des boues p. 22.0


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Introduction technique L'épuration biologique à boues activées est un processus qui permet à des millions de micro-organismes de vivre, de croître et de travailler. Ils s'acquittent de leur tâche en vivant et en se développant. Leur travail consiste à éliminer la substance organique soluble et particulaire qu'ils utilisent comme nourriture, et à la transformer en de nouvelles cellules et matières biologiques La boue activée se développe lorsque ses organismes sont en mesure de s'associer pour former des masses ou des flocons suffisamment lourds pour pouvoir être séparés de l'eau par sédimentation. Une partie de la boue sédimentée doit être recyclée et mélangée aux eaux à épurer afin de garantir qu’un nombre suffisant de micro-organismes continuent le processus d'épuration des matières rejetées. Le mélange des eaux à épurer et de la boue activée est désigné sous le nom de mélange aéré. Les micro-organismes utilisent en effet l'oxygène pour réaliser le processus d'absorption et de dégradation de la matière organique. L'oxygène est utilisé pour fournir de l'énergie aux cellules et produire de l'anhydride carbonique, de l'ammoniaque et de l'eau, libérés dans l'environnement liquide. La quantité de nourriture (= polluants) mise à disposition des micro-organismes doit toujours être équilibrée ; le rapport entre nourriture et micro-organismes est désigné sous le nom de charge des boues (souvent désigné par F/M, de l'anglais "food to microorganismes"). Le processus d'épuration produit environ 0,5 kg de boue activée par kilo de DBO éliminé. Cette boue doit être évacuée du système pour maintenir l'équilibre du processus. Les organismes épurateurs appartiennent à différentes espèces, mais pour le traitement des eaux usées, on peut les classer en fonction de leur capacité à former des boues facilement sédimentables en : • Flocons formateurs, avec bonnes caractéristiques de sédimentation. • Filamenteux , qui modifient la bio agglomération et donnent lieu à une boue peu sédimentable. Une boue activée efficace peut être obtenue et maintenue dans des conditions constantes, en absence de changements brusques de charge organique ou de conditions ambiantes.


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Les conditions ambiantes favorisant la croissance d'une boue activée efficace sont les suivantes : • pH (compris entre 6,5 et 8)

• Température (plage idéale = 20-30 degrés centigrades)

• Concentration d'oxygène dissous (DBO), d'au moins 1 mg/I. Qui sont les travailleurs ? Les millions d'organismes microscopiques dont l'occupation principale est de se nourrir, constituent les vrais travailleurs d'un processus à boues activées. Sans nourriture, ils ne travaillent pas. Il y a les bons et les mauvais travailleurs : la principale différence entre les deux types réside dans la capacité à utiliser la nourriture ; mais, comme déjà indiqué, combien, parmi eux, seront en mesure de sédimenter les flocons qu'ils forment. Le terme "micro-organismes" couvre une multitude d'organismes ayant la faculté de travailler dans les eaux usées. L'opérateur peut les identifier comme des bactéries filamenteuses, bactéries flocon formatrices, protozoaires, rotifères, etc. Lorsqu'ils se trouvent dans des conditions idéales, les micro-organismes peuvent se reproduire par division cellulaire, pratiquement toutes les vingt minutes, afin d'atteindre une vitesse de croissance très élevée. Les flocons formés par les bactéries flocon formatrices se caractérisent par un indice volumique de boue (IVB) compris entre 80 et 150. Les bactéries filamenteuses (mauvais travailleurs) créent une structure filaire ou réticulaire, à l'origine du nom de croissance filamenteuse. Ces organismes sont certainement excellents pour l'élimination de la DBO, mais, en raison de leur légèreté, ne sédimentent pas rapidement, et peuvent être facilement délavés par le sédimenteur final, sauf si ce dernier ne possède pas de temps de rétention prolongés. Le diagramme simple ci-dessous illustre la différence entre les deux catégories de micro-organismes. Dans les conditions normales, en opérant sur des eaux civiles, l'environnement est adapté à la constitution des deux formes. Cependant, l'une d'entre elles prédominera à un moment déterminé. Les caractéristiques des eaux à l'entrée, comme l'environnement dans lequel elles se développent, sont responsables de la présence de l'une ou l'autre forme prédominante. L'opérateur doit savoir conduire le processus, de manière à favoriser la formation des bons travailleurs (flocon formatrice).


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5.0 Caractéristiques des formateurs de flocons Un bon démarrage de processus se définit par les indicateurs suivants : • Les organismes ont tendance à s'agglutiner

• Les flocons de couleur marron clair sont très nombreux

• La sédimentation est uniforme et laisse peu de flocons en suspension • L'examen au microscope révèle peu de flagellés et d'amibes, beaucoup de ciliés nageurs libres, et quelques ciliés stagnants sur les flocons (ciliés sessiles). 5.1 Caractéristiques des formateurs de filaments Légères, ne sédimentant pas, elles peuvent être entraînées dans l'effluent final et sont responsables du phénomène appelé "boue foisonnante". Elles sont apparemment formées de filaments ; c'est ainsi qu'on parlera de croissance filamenteuse. Elles peuvent vivre indifféremment en présence d'air ou sans oxygène. Il suffit d'abaisser ou d'interrompre l'apport d'air pour éliminer les bactéries aérobies et à une chloration des boues de recyclage pour supprimer les bactéries aérobies facultatives, d'autres. Certaines boues filamenteuses peuvent se développer lorsque l'eau contient des substances organiques particulières. 5.2 Formation de la boue activée La formation de la boue comprend essentiellement trois étapes : 1. transfert 2. conversion 3. floculation Le transfert s e produit lorsque la substance organique nutritive est en contact avec les micro-organismes. Dans cette phase, la matière nutritive est transférée de l'eau aux organismes par deux processus simultanés : l'absorption et l'adsorption. La matière organique soluble est absorbée en passant directement à travers la membrane de la cellule. Les matières particulaires et colloïdales en suspension dans le liquide sont adsorbées sur la membrane cellulaire et transformées par dissociation des molécules, en matière soluble, laquelle est ensuite absorbée par la cellule.


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6.0 Principaux facteurs nécessaires au transfert de la DBO ? Le transfert des substances nutritives s'effectue en trois étapes : 1. la matière particulaire et colloïdale est rapidement adsorbée sur la membrane cellulaire. Le facteur le plus important dans cette phase est de fournir une agitation adéquate pour

permettre le contact des micro-organismes avec la nourriture. 2. la matière organique soluble exige un certain temps pour passer à travers la membrane

cellulaire. 3. la quantité de nourriture utilisable par les travailleurs dépend de deux conditions contrôlées

par l'opérateur :

• Le temps : indispensable pour assimiler la nourriture, en ajustant le temps de séjour des cellules (= âge des boues). • Quantité : la quantité de travailleurs par rapport à la nourriture à l'entrée doit être

appropriée (charge des boues) (voir le paragraphe suivant : théorie de la boue grasse). La conversion de la matière nutritive en matière cellulaire a lieu après l'entrée de la nourriture dans la cellule, et est désignée par le terme de métabolisme cellulaire . La floculation se produit lorsque les micro-organismes sont rassasiés et que leur activité diminue. Cette phase exige une eau calme, comme pendant la sédimentation. Où rencontre-t-on les phases de transfert et de con version ? Il est bon de se rappeler que les trois phases précédentes se produisent en continu et simultanément au cours du processus. L'opérateur doit donc contrôler ce dernier pour que les phases de transfert et de conversion s'effectuent dans le bac d'aération et dans les conditions environnementales idéales. 6.1 Théorie sur la boue grasse Les organismes de la boue peuvent absorber trop de nourriture, comme l'homme. Dans ce cas, elles doivent digérer l'excès d'aliment avant de se nourrir de nouveau. Cette analogie peut être utilisée pour expliquer partiellement la nécessité de disposer d'un grand nombre d'organismes pour éliminer la matière organique des eaux. Dans un système qui fonctionne bien, certains organismes sont “gras et heureux" et ne travaillent pas pour rien, d'autres sont affamés et travaillent avec entrain pour se procurer la nourriture ; d'autres encore mourront ou seront proches de le mort.


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L'opérateur doit donc bien examiner la condition moyenne de l'ensemble de la population. De plus, un temps suffisant sera accordé pour permettre aux micro-organismes d'assimiler et de dégrader la nourriture, la substance organique soluble traversant progressivement la membrane cellulaire pendant cette période. La quantité de substance organique passant à travers la membrane dépend, par conséquent, du nombre d'organismes disponibles et du temps pendant lequel ils sont en contact avec la nourriture. En outre, comparée à la substances particulaire et colloïdale dans les eaux d'entrée, cette quantité constitue un facteur significatif pour déterminer l'élimination de la DBO. Les eaux usées à teneur élevée en substance organique exigeront un séjour prolongé des cellules pour réaliser l'élimination de la DBO requise, comme cela se produit dans les systèmes d'aération prolongée. L'élimination de la DBO, au contraire, est rapide si les eaux contiennent des concentrations élevées de matière particulaire. Un système classique mixte fonctionne bien avec des eaux présentant des teneurs approximativement égales en matière organique soluble et particulaire. Dans tous les cas, une quantité élevée de solides en suspension, en aération est requise ; on entend par solides en suspension la boue activée (MLSS). Ces facteurs contribuent-ils à créer des rejets contenant des pourcentages élevés en matière organique soluble ? Les eaux contenant la matière organique soluble peuvent provenir d'industries fabriquant des aliments, ou encore de celles provenant du lisier des fermentations ou du surnageant de fosses septiques. 7.0 Conversion de la nourriture en matière Nous venons de voir comment la DBO est éliminée par les micro-organismes. Cette substance nutritive peut à présent être à l'origine d'une nouvelle formation de boues grâce à l'oxygène, par synthèse et oxydation, réactions donnant comme produits finaux l'anhydride carbonique, l'ammoniaque et l'eau. Le terme métabolisme inclut les deux réactions qui se produisent simultanément. Cependant l'une ou l'autre réaction peut prévaloir en fonction de la phase de croissance du processus et des quantités de micro-organismes liés la nourriture du milieu.


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Les réactions métaboliques de synthèse et d'oxydation intéresseront tout particulièrement l'opérateur d'installation d'épuration biologique à boues activées, puisque la substance nutritive est complètement stabilisée grâce à elles. 8.0 Effets des boues jeunes sur le traitement Lorsqu'un processus est intentionnellement ou non conduit de telle sorte que les réactions restent incomplètes, il en résultera un traitement inachevé. Lorsque la quantité de nourriture n'est pas limitante, les cellules se multiplient rapidement. Cela signifie que la synthèse prédomine, et que nous pouvons considérer la masse cellulaire comme se trouvant dans une phase de croissance logarithmique. Dans cette phase, la croissance cellulaire est similaire à celle d'un enfant. Si nous ne tenons pas compte d'autres facteurs, nous pouvons affirmer qu'un enfant possède un métabolisme plus élevé, comparé à l'adulte. La totalité de la nourriture et de l'oxygène assimilés sont pratiquement utilisés pour fournir de l'énergie destinée à la construction de nouvelles cellules ou tissus. De la nourriture supplémentaire est souvent nécessaire pour que le processus continue, en suivant une croissance rapide, jusqu'à ce que l'enfant ait atteint un développement complet. 8.1 Des boues jeunes plus efficaces Comme les enfants, tous les micro-organismes, dans cette phase, sont jeunes et incroyablement actifs. Ils ont besoin d'une quantité importante d'aliment et d'oxygène. Toutefois, n'étant pas en mesure d'utiliser toute la nourriture, ils ne sont pas utiles pour éliminer efficacement la DBO. De plus, en raison de leur activité élevée, les cellules ne peuvent pas s'agglomérer facilement en flocons et atteindre le poids nécessaire pour sédimenter. Au cours de cette phase, l'opérateur constatera une augmentation de la DBO et des solides en suspension dans l'effluent final, par suite d'un délaiement des boues par le sédimenteur final. On pourra également noter deux autres conditions :traces de boue brun clair dans le sédimenteur et écume blanche sur le bac d'aération. Certains signes confirmeront cette étape du processus en contrôlant les points qui vont suivre ; n'oublions pas que l'oxygène dissous dans les bacs tend à diminuer en même temps que s'accroît la demande d'oxygène destinée au métabolisme.


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• Oxygène dissous dans le sédimenteur : zéro ou proche de zéro puisque le métabolisme commence dans le bac d'aération se poursuit dans le bac final.

• Indice volumique de la boue (IVB) : la boue sédimente peu ou pas du tout. • Vitesse de respiration : plus élevée que les valeurs caractéristiques d'une boue active plus vieille et stable (0,4 - 0,6 mg/min). • DBO dans l'effluent final : dans cette phase, elle augmentera plus que les valeurs nominales, puisqu'en absence d'une quantité encore suffisante de micro-organismes pour la nourriture disponible, une partie de celle-ci passera dans l'effluent final. • Rapport F/M : présentera des valeurs élevées. Cette phase est généralement temporaire. Une régulation normale du processus permettra une augmentation de l'apport en oxygène, tel que révélée par l'analyse de l'oxygène dissous dans le bac (mieux vaut doter l'équipement de systèmes automatiques de contrôle et de régulation). Si la décantation est longue dans le processus, il est conseillé de réduire l'afflux d'eau à épurer, afin d'augmenter le temps de séjour des cellules. 9.0 Effets des boues vieilles sur le traitement A l'autre extrémité, on peut trouver un processus qui fonctionne avec des boues trop vieilles. Dans ce cas, la masse cellulaire peut être comparée à des personnes âgées. Lorsque la croissance est complète, la vitesse de croissance diminue progressivement et continue de diminuer jusqu'à la mort. La consommation de nourriture baisse avec la réduction de l'activité des organismes. La formation de nouvelles cellules diminue, une quantité de plus en plus importante de nourriture est stockée dans les tissus gras, et n'est pas utilisée. En d'autres termes, si une personne est inactive et ne mange pas depuis plusieurs heures, la seule demande en oxygène nécessaire concerne le métabolisme basal. L'énergie indispensable provient de processus d'oxydation interne de la nourriture stockée qui exige donc de l'oxygène. Si l'individu persiste à ne pas s'alimenter, il continuera cependant à respirer, donc à nécessiter de l'oxygène jusqu'à sa mort. Même après la mort les processus de dégradation se poursuivront, exigeant de l'oxygène, jusqu'à la conversion en énergie de la matière organique.


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10.0 Pourquoi les boues vieilles se révèlent inutil es ? Parce que les micro-organismes se comportent de manière similaire à l'homme lorsqu'ils sont vieux ou morts, l'activité cellulaire est réduite et la demande de nourriture diminue comme celle de l'oxygène. La faible activité conduit à la formation de flocons denses et lourds qui sédimentent trop rapidement, laissant des particules en suspension sur la partie superficielle du sédimenteur. Une conséquence directe liée à la vieillesse de ces micro-organismes qui retournent au bassin d'aération avec la boue de recyclage, est qu'étant incapables d'utiliser la nourriture, on assiste par suite à une diminution de la demande de celle-ci. L'opérateur pourra observer qu'une quantité élevée de flocons dispersés (à pointe d'aiguille) passe à travers le déversoir du sédimenteur, bien que la hauteur de la boue ne dépasse pas le quart de la profondeur totale du bac. Une couche d'écume marron peut surnager à la surface du bassin d'aération. Les paramètres suivants confirment cette observation :

• Oxygène dissous dans le sédimenteur plus élevé que la normale • Oxygène dissous dans le bac d'aération plus élevé que la normale (si l'air insufflé n'a pas été diminué)

• Sédimentation des boues : vitesse élevée, compactage élevé et surnageant trouble, avec de fines matières particulaires en suspension.

• Vitesse de respiration : inférieure à la normale • DBO dans l'effluent final : tendance à l'augmentation

• Solide en suspension dans l'effluent final : en augmentation

• Rapport F/M: bas • Temps de rétention cellulaire (TRC) : trop élevé menant à la formation de boues vieilles et minéralisées (super oxydées) Le vieillissement des boues se rencontre fréquemment, car l'opérateur tend à suivre une règle empirique : maintenir le niveau le plus élevé possible de MLSS afin de disposer d'une biomasse suffisante pour supporter d'éventuels chocs d'évacuation Il s'agit d'une opération prudente mais rarement efficace. En réalité, la réponse correcte devrait consister à réduire le temps de rétention cellulaire et à augmenter le rapport F/M, pour augmenter l'extraction des boues. On prétend que deux typologies de processus sont intentionnellement gérées avec des boues vieilles.


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L'aération étendue et la digestion anaérobie fonctionnent avec les boues activées déjà dans la zone endogène de la courbe de croissance, habituellement considérée comme phase de mort des boues. Ces processus fonctionnent avec des rapports F/M bas, une quantité élevée de biomasse et des temps prolongés de séjour de cellules. Ces conditions donnent lieu à une biomasse légère de boues mortes dont l'aspect est voisin de celui des cendres. Au moment de la mort d'une cellule, la paroi cellulaire se rompt, libérant alors la matière organique stockée à l'intérieur, qui devient source de nourriture pour les micro-organismes restants. On parle parfois de phénomène de cannibalisme entre les cellules bactériennes. 11.0 Les conditions optimales Le processus à boues activées fonctionne de manière optimale lorsque la biomasse n'est ni jeune, ni vieille. On doit surtout insister sur le critère de qualité et non celui de quantité des boues. La gestion du processus doit faire apparaître un intervalle étroit entre MLSS et CRT. La condition optimale est caractérisée par les éléments suivants : • Temps d'aération suffisant pour permettre de métaboliser la nourriture.

• Temps de séjour cellulaire (âge des boues) approprié pour la formation de boues saines. • Disponibilité suffisante de micro-organismes pour éliminer et métaboliser la totalité de la nourriture à l'entrée.

• Boues ayant de bonnes caractéristiques de sédimentation, à savoir qu'elles sédimentent suffisamment lentement pour transporter avec elles la majeure partie des particules en suspension. • Rapport correct de recyclage des boues. 11.1 L’accumulation des solides Qu'est-ce qui détermine l'accumulation des solides ? Les solides s'accumulent quotidiennement dans le système par suite du métabolisme microbien. On a observé sur de nombreuses installations traitant les effluents domestiques qu'en maintenant les conditions optimales de processus, les nouvelles matières cellulaires augmentent à la vitesse d'environ 250 grammes de solides par jour (MLSS) pour environ 500 grammes de nourriture (DBO) éliminée par le système.


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Ce paramètre est couramment désigné par vitesse de croissance. La valeur de la vitesse de croissance susmentionnée est un paramètre réservé aux installations traitant uniquement les effluents domestiques, mais en absence de données connues de l'installation il peut être utilisé pour une première approximation. En effet, la vitesse de croissance réelle de l'installation considérée peut être déterminée uniquement dans les conditions de marche, en calculant la concentration des solides en suspension dans le bac, les débits et les valeurs de DBO de l'eau à l'entrée. La vitesse de croissance varie donc d'une installation à l'autre selon les effluents à traiter et d'autres facteurs, en particulier :

• Elle diminue avec l'augmentation de l'âge des boues, si le processus est déplacé vers la zone endogène de croissance de celles-ci.

• Elle diminue avec l'augmentation des concentrations de MLSS.

• Des rapports F/M élevés augmentent la vitesse de croissance jusqu'à épuisement de la nourriture ; à l'opposé, un rapport bas réduit la vitesse de croissance.

• La vitesse de croissance est influencée par la température : une diminution réduit sensiblement la vitesse qui présente en effet des valeurs plus basses en hiver qu'en été. 12.0 Qu'est-ce qui constitue l'augmentation quotidi enne de solides ? En supposant l'absence totale de phénomènes d'oxydation dans le système, on peut dire que l'augmentation nette quotidienne de solides peut être évaluée en termes de quantité à extraire par jour, ajoutée à la quantité de solides contenus dans l'effluent. L'extraction des boues excédentaires, dans un système à boues activées, est indispensable pour deux raisons :

• Maintenir le rapport F/M souhaité en éliminant l'excès de biomasse formée. • Réduire au niveau le plus bas possible la quantité de solides dans l'effluent. 12.1 Qu’advient-il après la phase aérée ? Comme déjà indiqué, les micro-organismes présents dans le mélange aéré éliminent la matière organique et produisent des boues. Pour que le système soit complet, les flocons de boue doivent être séparés de la phase liquide, épurée. L'un des objectifs principaux du traitement consiste donc à produire une boue ayant de bonnes propriétés de sédimentation, pour au moins deux motifs :


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• Une boue qui sédimente entraîne avec elle les fines particules en suspension qui, dans le cas contraire, se retrouveraient dans l'effluent final.

• Si l'installation de traitement est sous dimensionnée pour la quantité de rejets à traiter, elle peut cependant suffire si la boue sédimente. La phase de séparation et d'élimination se produit dans une unité appelée clarificateur secondaire ou sédimenteur final. Une sédimentation efficace dépend également du maintien de l'équilibre entre débit des eaux usées affluentes, débit de recyclage et concentration de MLSS. On peut enregistrer des pertes de solides : • Si la vitesse d'élimination (recyclage poussé) n'est pas assez élevée.

• Si le débit hydraulique sur le clarificateur dépasse le temps nécessaire de sédimentation des solides (vitesse ascensionnelle de l'eau). • Si l'indice volumique de la boue (IVB) est excessif.

• Si l'extraction de la boue en excès ne s'effectue pas correctement. Les conditions optimales de sédimentation seront obtenues lorsque :

• Les solides et/ou les flocons de boue sédimentent suffisamment lentement pour garantir une bonne clarification, même pendant les éventuels débits maxima quotidiens.

• Le processus se poursuit avec un rapport F/M donné associé à des valeurs faibles de IVB et de DBO dans l'effluent final. • Le débit en excès est régulé en fonction de la vitesse de croissance et de l'accumulation des boues. 13.0 Les fonctions du sédimenteur final Le sédimenteur final réalise simultanément différentes fonctions. Clarification Comme il a déjà été mentionné, tout solide évitant la phase de séparation nuira à la qualité de l'effluent, comme le montre l'analyse de la DBO et des solides en suspension présents. Il est donc fondamental que le clarificateur opère de manière telle à éliminer la majorité des boues. Sédimentation Sur le plan opérationnel, la meilleure efficacité pour capturer les solides sera obtenue avec une boue active ni trop jeune, ni trop vieille. En effet, une boue jeune et trop légère, et une boue vieille plutôt lourde qui sédimente trop rapidement, réduit la collision entre les particules, qui est nécessaire pour intercepter les solides en suspension fine, présents dans la partie haute du bac de sédimentation.


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Dans la pratique, lorsque le mélange aéré entre dans le décanteur, les solides forment une couche de boue de hauteur variable, stratifiée en dessous de la phase liquide. Les solides sédimentent par graviter si leur densité est supérieure à celle de l'eau. La sédimentation dépend aussi bien de la concentration des MLSS, que de leur propriété de sédimentation (IVB). La valeur IVB idéale théorique est approximativement de 100 ml/g. On peut constater parfois la remontée de la totalité ou d'une grande partie de la boue sédimentée qui peut recouvrir entièrement la surface du clarificateur et être entraînée partiellement à travers le déversoir (RISING). Epaississement La concentration des solides dans le flux de recyclage influence directement le niveau de la concentration des MLSS dans le bac d'aération. Les variables influençant l'épaississement de la boue sont les suivantes : • IVB

• Vitesse d'élimination des solides (recyclage + excès)

• Concentration des MLSS des eaux usées affluant au décanteur. En général, l'augmentation de l'élimination des solides diminue la concentration de la boue sédimentée et vice-versa. Dans la pratique, il est recommandé d'opter pour une concentration suffisante de la boue de recyclage pour maintenir une concentration adéquate de biomasse dans le bac d'aération. Exemple : pour une valeur de MLSS égale à 2.500 mg/l en aération, le sédimenteur secondaire devrait concentrer la boue jusqu'à environ 6.000 mg/l. Si le décanteur ne maintient pas efficacement la concentration suffisante pour le bac d'aération, il peut être utile d'augmenter le débit de recyclage, en tenant compte des limitations suivantes :

• Capacité limitée de la pompe de recyclage. • Surcharge hydraulique possible du clarificateur.

• Effets à long terme sur la qualité des boues. Enfin, une concentration élevée des solides de la boue en excès est nécessaire pour réduire les dimensions structurelles du décanteur et rendre efficace l'unité d'épaississement et de déshydratation (épaississeur de boues, bande presse, filtre-presse , centrifugeuse, etc.).


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15.0 Evacuation des boues du sédimenteur L'évacuation des boues du décanteur est réalisée au moyen d'un système de pompage aspirant parle centre du fond conique du bac. De nombreux sédimenteur sont équipés d'un racleur de fond qui achemine les boues vers le centre du cône au moyen de lames appropriées. La quantité de solides évacuées (bouses de recyclage et en excès) et la concentration de la boue sédimentée sont utilisées par l'opérateur pour contrôler, régler ou maintenir la concentration de solides dans le bac d'aération. En agissant sur les débits de boue de recyclage et en excès, l'opérateur peut régler la valeur M (MLSS) du rapport en fonction des changements de F (DBO). 15.1 Facteurs liés à la sédimentation La charge hydraulique et les caractéristiques de sédimentation de la boue sont deux facteurs liés du sédimenteur. On doit tenir compte de la charge hydraulique pour le fonctionnement du clarificateur. Indépendamment des conditions d'alimentation, la boue liquide qui pénètre dans le sédimenteur doit être maintenue pendant un temps suffisamment long dans des conditions calmes pour permettre la sédimentation. Cela signifie que la vitesse du flux doit être suffisamment faible pour que les courants ascensionnels ne transportent pas de particules et de flocons dans l'effluent final. Dans les conditions de fonctionnement réelles, les propriétés de sédimentation des solides, mesurées comme IVD, deviennent un indicateur important pour l'accumulation efficace de la boue dans le clarificateur. Les caractéristiques de sédimentation des solides établies dans le bassin d'aération sont liées aux paramètres suivants : • Facteur de charge de la boue : un facteur élevé de charge pour un processus donné peut

induire des conditions de fonctionnement instables et une boue légère qui peut affleurer à la surface du décanteur. Par exemple, pour un système à mélange complet, cette valeur critique est d'environ F/M= 0,4.

• Temps de séjour des cellules (âge de la boue) : il est lié à la quantité de boue en excès. Si la boue est trop jeune, elle sera peu oxydée et ne sédimentera pas facilement. Au contraire, si la boue est âgée, elle sédimentera trop rapidement pour assurer une bonne clarification.


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Si l'on admet que le débit de la boue de recyclage par rapport à l'eau affluente est de 30% dans le cas A, ce rapport serait alors suffisant pour transférer la boue sédimentée. En admettant maintenant que le pourcentage de recyclage reste inchangé dans le cas B, il est évident que la moitié seulement du poids total de la boue retournerait dans le bac d'aération. Si l'on suppose que celui-ci est le clarificateur, il est évident que le pourcentage de recyclage doit être augmenté pour évacuer la totalité de la boue. En augmentant le flux de recyclage, nous pomperons une quantité supérieure de boue dans le bac d'aération, mais la teneur en MLSS non ne variera pas. Ce concept peut être exprimé d'une autre manière, en mettant en relation la concentration de MLSS et le pourcentage de boue de recyclage, comparé aux différentes valeurs d'IVB, comme sur le diagramme suivant. Rapport de recyclage en %, R/Q

Ce diagramme illustre certains aspects opérationnels importants du processus biologique. On notera qu'en utilisant un pourcentage de recyclage de 25% et un IVB de 100, il est possible de maintenir une concentration de MLSS d'environ 3000 mg/litre. Si l'IVB descend à 50, la quantité de solides dans le bac d'aération peuvent augmenter à plus de 4000 mg/litre. Si, d'autre part, l'IVB passe à 200, à pourcentage de recyclage égal, la concentration optimale de MLSS serait de 1000 mg/litre. On remarquera, de plus, qu'en augmentant le rapport de recyclage à 100%, le transfert de solides ne s'accroîtra pas de manière significative. Dans ce cas également, si les solides du bac d'aération augmentent à plus de 1000 mg/litre, la boue aura tendance à s'accumuler au fond du décanteur jusqu'à son délavage dans l'effluent final.


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17.0 Qu’est-ce qui rend les micro-organismes malade s ? On peut faire une analogie entre les organismes actifs de la boue activée et une personne saine. Les organismes actifs travaillent avec entrain, donnent de bons résultats et résistent aux infections. Ils peuvent venir en contact avec une grande quantité de polluants, sans cependant tomber malade. Ils peuvent toutefois être trop alimentés, affamés, empoisonnés ou maltraités d'une toute autre façon, et perdre ainsi leur résistance. La perte de solides dans l'effluent final constitue le symptôme universel de la maladie de la boue activée. L'efficacité du processus biologique dépend du maintien de conditions de fonctionnement constantes . En effet, le meilleur système d'exploitation d'une installation biologique consiste à éviter des changements brusques des variables d'entrée. Malheureusement, cette condition n'est pas toujours réalisable, puisque l'installation d'épuration est soumise à de fréquents changements des conditions d'exploitation qui ont tendance à altérer la stabilité du système. Tout changement imprévu qui rompt l'équilibre du processus, au point de créer des pertes de solides en suspension ou l'augmentation de la DBO dans l'effluent final, est appelé choc du système (choc de pH, de température, de charge, etc.). Dans la majorité des cas, on peut utiliser des indicateurs pour informer l'opérateur et, de manière générale, pour empêcher le déséquilibre du système. L'opérateur doit donc pouvoir distinguer et identifier les indicateurs d'alarme, afin d'intervenir de manière appropriée au moment opportun. 17.1 Choc de charge organique Le choc de surcharge organique représente l'un des problèmes de fonctionnement les plus courants rencontrés dans la conduite d'une installation biologique d'épuration. Des valeurs inattendues, ainsi que des diminutions ou augmentations importantes de la DBO à l'entrée peuvent se présenter.


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L'augmentation de la charge de DBO peut varier de plusieurs manières : 1. Augmentation de la valeur de DBO de plus du double de la moyenne journalière, sans

changement du débit d'entrée. 2. Augmentation de la charge organique accompagnée d'un accroissement du débit à l'entrée,

à savoir une surcharge organique et hydraulique combinée. 3. Augmentation imprévue de la charge organique totale du système, due aux caractéristiques

physico-chimiques d'une partie de l'affluent, qui différent de celles rencontrées dans l'affluent normal. L'une des causes les plus courantes pour ce type d'augmentation de charge peut être constatée dans les effluents industriels où des écoulements temporaires d'eaux usées sensiblement différents de la moyenne peuvent se produire. Dans ce cas, l'opérateur essayera d'identifier la source de l'effluent et de vérifier si elle peut être éliminée ou dosée dans l'installation sur une période plus longue.

4. La charge organique totale peut varier d'une typologie à l'autre. Ces variations peuvent intervenir dans les effluents industriels (alimentaires, textiles, etc.) au cours de productions saisonnières.

Comment remédier à ces situations de surcharge ? Une bonne phase d'équilibre et d'homogénéisation initiale constitue un choix stratégique au niveau conceptuel permettant de réduire les dommages dus à une surcharge. La mise en place d'un bac d'homogénéisation en amont du processus biologique, capable de stocker plusieurs heures l'eau d'entrée est un moyen de mélanger et de réguler l'affluent aussi bien en termes de qualité que de débit, ce qui permet d'éviter un choc lors de la phase biologique. La phase d'homogénéisation initiale devra également être réalisée dans les installations existantes, fréquemment soumises au choc de charge. Quels paramètres peuvent être utilisés pour identifier rapidement un problème de surcharge ? Les effets principaux d'un choc de charge organique ne sont pas identifiables immédiatement. En effet, un retard de plusieurs heures a lieu entre le moment où la surcharge atteint l'installation et celui où ses effets sont réellement mesurables. Nous indiquons, ci-dessous, une liste des effets relevés sur l'installation, dans l'ordre où ils se manifestent : I. Diminution de l'oxygène dissous dans le bac d'aération 2. Augmentation imprévue de la respiration des boues 3. Augmentation de l'IVB et difficulté de sédimentation consécutive 4. Diminution de la concentration des solides, en cas de perte de boues du sédimenteur 5. Augmentation de la DBO et des solides en suspension dans l'affluent final.


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19.0 Effet du pH Qu'est-ce qu'un pH neutre ? Le pH est l'un des deux facteurs principaux de l'environnement d'épuration (l'autre étant l'oxygène) qui intéressent l'opérateur. Un pH de 7 est neutre, inférieur à 7, acide, et supérieur à 7, basique. Le pH du bac à boues activées doit être compris entre 7 et 8, pour favoriser l'activité métabolique et certains processus d'oxydation biologique (nitrification). Même si la croissance est également possible à une valeur de pH de 6 et de 9, sa vitesse est cependant très réduite. L'efficacité de réduction de la DBO diminue si le pH s'écarte de la plage optimale. Des expériences menées en laboratoire montrent que l'activité métabolique est favorisée à des valeurs supérieures au pH neutre. En général, la variation du pH est progressive, sans effet sur le processus biologique, surtout si cette condition ne persiste pas. Des modifications imprévues ou excessives de pH représentent, au contraire, un danger important, qui peut entraîner la mort d'une partie ou de l'ensemble de la population de mícro-organismes. Pour éviter cette situation, il est recommandé de vérifier le pH de l'affluent en permanence, à l'aide d'instruments appropriés (pH-mètres). Si la variation de pH est relevée au moment opportun à l'entrée de l'installation, des techniques manuelles ou automatiques peuvent être mises en place pour modifier artificiellement le pH (dosages d'acide ou de base), et le ramener à l'intérieur de valeurs admissibles par le système. 19.1 Effet des charges toxiques On désigne par charges toxiques, les événements au cours desquels des composés chimiques de nature variée arrivent dans l'installation, en concentration suffisante pour empoisonner la population résidente de micro-organismes. Des exemples de composés toxiques sont les cyanures, les métaux lourds et le chrome hexavalent, présents dans les processus de traitement superficiel des métaux (industrie galvanique).


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Le meilleur système pour remédier à l'introduction d'une charge de ce type consiste, probablement, à la diluer dans le temps à l'intérieur de l'installation, bien que cela ne soit pas toujours réalisable dans une unité d'épuration biologique normale. Quoi qu'il en soit, l'identification rapide des charges toxiques dans l'affluent de l'installation est un problème majeur. 20.0 Effet de la température La diminution de l'activité métabolique des micro-organismes diminue avec la baisse de la température du système. En d'autres termes, une quantité supérieure de MLSS pourra se révéler nécessaire pour traiter une charge de DBO, aussi bien pendant les mois froids que les mois chauds. Une activité microbienne plus lente, à des températures plus basses, induit, en plus, des temps de récupération proportionnellement plus lents, en cas de choc du système. 20.1 Effets de l’oxygène dissous et du mélange L'oxygène fourni au système par l'air, l'air enrichi d'oxygène ou l'oxygène pur, est nécessaire pour assurer les processus de synthèse et d'oxydation, à la base de l'épuration biologique. Dans la majorité des installations, l'oxygène moléculaire est fourni au système en forçant l'air dans le bac d'aération, au travers de systèmes mécaniques appropriés (compresseurs et diffuseurs de fond, turbines, etc.). Une augmentation ou une diminution de l'apport d'air dans le bac d'aération produit un effet immédiat sur la concentration d'oxygène dissous, laquelle est très différente, selon le processus aérobie ou anaérobie. En environnement aérobie, la concentration d'oxygène dissous dans le bac doit être maintenue à des valeurs égales ou supérieurs à 1 mg/litre. Dans tous les cas, elle sera suffisante pour garantir la respiration, même dans les phases consécutives de sédimentation et de recyclage des boues. Les processus anaérobies, au contraire, se développent en absence d'oxygène dissous mesurable (p. ex., dénitrification biologique). Les appareillages d'oxygénation des bacs remplissent une autre fonction importante : le mélange du système. Une certaine turbulence est en effet indispensable pour atteindre un niveau élevé de transfert de l'oxygène, ainsi que pour maintenir les organismes en mouvement constant, dans le but de garantir le contact avec la nourriture, et d'éviter la sédimentation.


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La dissolution de l'oxygène dans l'eau est fonction de la température du système ; une plus grande quantité d'oxygène est transférée lorsque la température du système diminue. Pendant les mois les plus chauds et dans le cas d'installations d'épuration biologique traitant des eaux usées à des températures supérieures à 30 – 35°C, il est évident qu'une quantité supérieure d'air sera exigée pour garantir la même concentration d'oxygène dissous. En outre, tel que déjà indiqué précédemment, puisque la température représente un facteur critique pour le processus biologique, il faudra assurer un juste compromis entre température et oxygène dissous, à l'intérieur du système. Des oxymètres permettent de mesurer l’oxygène dissous dans les bacs d'aération. Dans la plupart des cas, ces appareils sont en mesure de piloter les appareillages d'aération, au moyen de signaux électriques spéciaux, permettant un ajustement continu de l'oxygène dissous dans le bac d'aération. Avec ces appareillages, la gestion de l'oxygène dissous est plus simple et autorise un ajustement plus rapide de la valeur nécessaire.


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22.0 Les principaux micro-organismes indicateurs de la qualité des boues Ce chapitre présente les images prises au microscope des principaux micro-organismes présents dans les boues activées, accompagnées d'une description succincte les concernant. Pour une analyse plus détaillée, se reporter à l'atlas photographique correspondant. FLAGELLES On les rencontre, en général, dans les boues d'installations recevant des purins très dilués ou avec une faible charge de boue. AMIBES A COQUILLE (avec coquille) Très courantes, présentes, en général, dans les boues d'âge élevé.


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CILIES NAGEURS Glaucome Paramécies Egalement très courantes dans les boues activées. Le glaucome est l'indice d'une bonne qualité des boues, tandis que la paramécie dénote, en général, l'absence d'oxygène ou de boue très jeune.


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CILIES MOBILES DE FOND Aspidisca Chilodonella uncinata Se déplacent à la surface des flocons. Très courants dans les boues activées bien formées et de bonne qualité.


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CILIES SESSILES (fixés sur les flocons) Vorticelles Opercularia Epistylis Très courantes dans les boues activées. Alors que les Vorticelles et les Epistylis sont des organismes qui indiquent, en général, de bonnes conditions de fonctionnement de l'installation, les Opercularia apparaissent lorsque le système est en déficit d'oxygène dissous.


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CILIOPHORES Ces organismes sont présents, en général, dans les boues peu oxygénées. ROTIFERES A la différence des autres organismes illustrés jusqu'à présent, formés d'une cellule unique (Protozoaires), les rotifères sont des animaux pluricellulaires (Métazoaires). Ils sont très courants dans les boues d'âge élevé.

notions techniques et pratiques sur l'épuration de l'eau...

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