Introduction : L¶épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l'eau soit pour recycler leseaux usées dans le milieu naturel, soit pour transformer les eaux naturelles en eau potable. Techniques de traitement d¶eau : La dépollution des eaux usées nécessite une succession d'étapes faisant appel à des traitements physiques, physico-chimiques et biologiques. En dehors des plus gros déchets présents dans les eaux usées, l'épuration doit permettre, au minimum, d'éliminer lamajeure partie de la pollution carbonée. Selon le degré d'élimination de la pollution et les procédés mis en oeuvre, trois niveaux de traitements sont définis. Les prétraitements consistent à débarrasser les eaux usées des polluants solides les plus grossiers (dégrillage, dégraissage). Ce sont de simples étapes de séparation physique. Les traitements primaires regroupent les procédés physiques ou physico chimiques visant à éliminer par décantation une forte proportion de matières minérales ou organiques en suspension . A l'issue du traitement primaire, seules 50 à 60 % des matières en suspension sont éliminées. Ces traitements primaires ne permettent d'obtenir qu'une épuration partielle des eaux usées. Ils ont d'ailleurs tendance à disparaitre en tant que seul traitement, notamment lorsque l'élimination de la pollution azotée est requise. Pour répondre aux exigences réglementaires, une phase de traitement secondaire doit être conduite. Les traitements secondaires recouvrent les techniques d'élimination des matières polluantes solubles (carbone, azote, et phosphore). Ils constituent un premier niveau de traitement biologique. Dans certains cas, des traitements tertiaires sont nécessaires, notamment lorsque l'eau épurée doit être rejetée en milieu particulièrement sensible. A titre d'illustration, les rejets dans les eaux de baignade, dans des lacs souffrant d'un phénomène d'eutrophisation ou dans des zones d'élevage de coquillages sont concernés par ce troisième niveau de trai ement. t Les filières biologiques : Les procédés biologiques sont utilisés pour le traitement secondaire des eaux résiduaires urbaines et industrielles. Dans leur configuration de base, ils sont essentiellement employés pour l¶élimination des composés carbonés présents sous forme soluble tels que sucres, graisses, protéines, etc, pour lesquels les solutions par voie physico-chimique sont souvent peu efficaces, coûteuses ou difficiles à mettre en uvre. Ceux-ci sont nocifs pour l'environnement puisque leur dégradation implique la consommation de l'oxygène dissous dans l'eau et nécessaire à la survie des animaux aquatiques. Le but des traitements biologiques est d¶éliminer la pollution organique soluble au moyen de micro -organismes, bactéries principalement. Les micro-organismes hétérotrophes, qui utilisent la matière organique comme source de carbone et d¶énergie, ont une double action: Les c i y constituent le groupement le plus important.H.transformer l¶azote en nitrates puis les nitrates en azote gaz. responsable principalement de l'élimination de la pollution d'une part et de la d'autre formation des l c part. on distingue : y y y y les procédés aérobies à cultures libres ou boues activées. les procédés aérobies à cultures fixées. d¶un bassin d¶anaérobie. les procédés anaérobies à cultures fixées. on utilise différentes bactéries soit pour : .traiter le carbone (transformer le carbone en CO2). «. Les différents procédés utilisés peuvent être classés en fonction des conditions d¶aération et de mise en uvre des micro-organismes. mais il faut leur apporter de l oxygène (par des apports d'air) pour leur permettre d'assimiler les polluants. Les systèmes biologiques Les boues activées (BA) : Dans cette méthode.y y La mati organi est en partie éliminée sous forme gazeuse lors de la minéralisation du carbone avec production de CO2 dans les procédés aérobies et de biogaz (CO2 + CH4 dans les procédés anaérobies. Ces procédés peuvent aussi permettre d¶éliminer l¶azote et le phosphore par voie biologique moyennant la mise en uvre d¶étapes supplémentaires dans la fili re de traitement : mise en place d¶un bassin d¶anoxie. et en partie transformée en particules solides constituées de micro-organismes issus de la multiplication bactérienne. Ces particules peuvent être facilement séparées de la phase li uide par des moyens physico-chimi ues tels que la décantation par exemple. la transformation des ions ammonium (NH4+) en nitrate (NO3-) ou nitrification peut être réalisée simultanément. Si nécessaire.. parfois de champignons. . Suivant ce que l'on veut traiter. les procédés anaérobies à cultures libres. oxygène dissous. température. de rotifères et de nematodes. Ainsi. . . les bactéries qui se nourrissent de mati res polluantes. Elimi i c c iv est constituée La essentiellement de bactéries et de protozoaires.stocker le phosphore. le traitement des eaux est réalisé par des microorganismes. de même les conditions du milieu : P.. La nature des composés organiques constituant la pollution influe naturellement sur le genre dominant . Les cellules autotrophes sont capables de transformer l'eau. Sous de bonnes conditions de température et d'oxygénation.organismes s'adaptent au milieu nutritif dans une phase de latence. l'énergie ainsi libérée est utilisée directement aux besoins de la cellule. phénols aldéhydes. c'est la phase de respiration endogène qui se produit à l'intérieur même de l'organisme sans apport extérieur. on parle de croissance exponentielle . Une culture bactérienne passe donc par différentes phases de croissance et décroissance. on peut observer une division cellulaire en 15 à 3 minutes. Les cellules hétérotrophes. Les principaux substrats nutritifs de ces bactéries sont les protides. D'une façon générale. le gaz carbonique et les sels minéraux en leur propre substance en prenant l'énergie nécessaire dans le milieu extérieur et synthétisant ainsi des réserves utilisables à n'importe quel moment constituant ainsi une énergie potentielle accumulée.. les lipides mais elles peuvent s'adapter à la consommation d'autres substrats organiques tels que alcools. La vitesse de croissance est nulle ou faiblement positive . l'absence de matière nutritive provoque une diminution de la masse des micro . les glucides. hydrocarbures.C'est dans le milieu où elle vit que la cellule va chercher les substances indispensables au maintien du rythme de ses activités. Les micro . Pour l'élimination du carbone dans les effluents la voie aérobi est utilisée car l'oxygène est associé aux réactions de dégradation et elles s'instaurent spontanément dans les eaux suffisamment aérées.. Il s'ensuit que la vitesse de reproduction s'accentue en fonction de la concentration en matières nutritives du milieu. l'annule et la fait même régresser au cours d'une phase ralentie .organismes. lorsque le taux de reproduction cellulaire atteint son maximum en présence d'une concentration non limitante en substrat. sont incapables d'effectuer cette synthèse et utilisent des substances nutritives qu'elles oxydent en matériaux plus simples. au contraire. celle-ci sera stoppée par une diminution de la concentration du substrat qui diminue la vitesse de croissance. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse. le . Pour assurer un traitement secondaire efficace à savoir l'élimination de la pollution carbonée. Il s'agit ici de dégrader la matière nutritive et d'utiliser l'énergie ainsi dégagée. il est possible de schématiser la dégradation du glucose par exemple : C6 H12 O6 6C02 + 6H2 O + 650 cal/mol Le processus de dégradation de la matière carbonée est plus rapide en aérobiose et la bactérie est plus active que les organismes plus évolués. il joue en effet le rôle d'accepteur. Mais la croissance bactérienne nécessite la présence d'autres éléments nutritifs en particuliers l'azote et le phosphore contenus dans les effluents et dont l'élimination est également nécessaire Elimi ation de l'azote L'azote et le phosphore représentent un pourcentage non négligeable de la masse bactérienne.U. Les valeurs moyennes sont de 7 à 10 % pour l'azote de 2 à 3 % pour le phosphore. C'est l' uvre de bactéries hétérotrophes utilisant l'oxygène aussi libéré à dégrader le carbone organique nécessaire à leur croissance. Il faut donc prendre les mesures afin de réaliser un équilibre en ramenant le taux de croissance des bactéries hétérotrophes par diminution de la charge carbonée. Les eaux résiduaires contiennent différents composés azotés : protéines. La dénitrification est donc proportionnelle à la quantité de substrat utilisé et inversement proportionnelle à la . En effet les bactéries hétérotrophes tirent leur énergie de celle libérée par le transfert des électrons des composés organiques vers NO-2 ou NO-3 . Mais leur taux de croissance est moins rapide que celui des bactéries dégradant la pollution carbonée. elles peuvent effectuer une synthèse . sa présence inhiberait la dénitrification. On comprendra que ce type de réaction ne peut avoir lieu qu'en milieu pauvre en oxygène. urée et produits de décomposition ainsi que de l'azote sous forme minérale.organismes autotrophes : NH+4 NO-2 NO-3 Ces bactéries autotrophes utilisent le carbone minéral pour constituer leur cellules. Son élimination biologique se réalise en deux étapes qui sont chronologiquement la nitrification et la dénitrification. La nitrification consiste en l'oxydation de l'azote organique sous forme d'un ammoniac (NH+4) en nitrite (NO-2) puis en nitrate (NO-3 ) par l'intermédiaire de micro . La nitrification demande des besoins en oxygène supplémentaires. Parallèlement une partie de l'azote est utilisée pour la synthèse bactérienne par assimilation. Leurs rôles sont multiples dans la cellule au niveau de la structure et du métabolisme.schéma paraît donc relativement simple : une culture bactérienne riche en hétérotrophes et bien oxygénée suffit à dégrader par voie oxydative la matière organique accumulée dans les E. L'âge des boues exprimé en jours et la température ambiante ont un effet certain sur la nitrification. La dénitrification est un processus dans lequel certaines bactéries réduisent l'azote nitrique en un état plus faible d'oxydation.R. leur action est cependant néfaste de par la prolifération des algues qu'ils génèrent à la surface de l'eau limitant considérablement les échanges avec l'air et l'énergie solaire. celui-ci devenant accepteur final préférentiel par rapport à NO-2 ou NO-3. En effet. le phosphore se retrouve naturellement à l'état minéral mais à faible concentration (0. Le principe de la déphosp hatation biologiq ue consiste en une suraccu mulation de phosphor e dans la biomass e. L'élimination du phosphore est une activité du traitement tertiaire. Si des teneurs . En effet.quantité d'oxygène dissous. elle est importante. Mais l'utilisation " massive " de phosphates dans la fabrication des produits d'entretien et en agriculture pose des problèmes d'équilibre au milieu aquatique. le phosphore intervient principalement dans les mécanismes de stockage ou de libération de l'énergie. Les équations globales simplifiées peuvent s'écrire : y La nitrification en phase aérobie : NH4+ + 2O2 NO-3 + 2H+ + H2 O y La dénitrification en phase anaérobie : NO-3 + 6H+ + 5 e½ N2 + 3 H2 0 Elimination du phosphore Constituant des cellules au même titre que l'azote. Si les phosphates ne sont pas directement nocifs. Il contribue ainsi à l'eutrophisation des eaux. dans l'eau.01 mg/l). elles le réabsorbaient. les recherches sur la possibilité d'effectuer une déphosphatation biologique ont mis en évidence que des boues activées non aérées relarguaient du phosphore et que dès que la concentration en oxygène remontait. ce procédé implique l'utilisation de : y y 445 kg de Fe Cl3 par jour pour une production de Fe PO4 de 103 kg et de Fe (0H)3 de 45 kg par jour. Ainsi pour éliminer 1 g de phosphore il faut 5. Cela impose des concentrations relativement importantes à mettre en uvre.de 2 à 3 % en phosphore dans les boues sont obtenues sous des conditions normales et correspondent aux besoins des bactéries. Elle permet de réguler l'élimination du carbone organique nécessaire à toutes les étapes du traitement ainsi que la prolifération des micro . Cette limite impose qu'on envisage des solutions complémentaires où la part de phosphore restante sera précipitée par l'ajout d'un réactif. Ce précipité est absorbé par un excès d'hydroxyde métallique Fe (OH)3 (Nom générique des bases qui renferme des groupements OH-). Elles stockent celui-ci et l'énergie utilisée pour ce stockage provient de l'hydrolyse du polyphosphate ce qui explique la phase de relargage de phosphate dans le milieu.aérobies.2 à 15. les stocks engrangés sont utilisés pour leur croissance et la reconstitution de leur réserve en polyphosphate. Elle apporte l'oxygène nécessaire à la nitrification tout en permettant ensuite la dénitrification en zone anaérobie. Celui-ci est réutilisé par d'autres bactéries aérobies qui ne peuvent utiliser qu'une gamme de substrats plutôt limitées. ces mêmes bactéries trouvent dans l'oxygène les accepteurs d'électrons nécessaires à leur métabolisme. sel très peu soluble dans l'eau et qui précipite à l'état colloïdal dont on connaît la difficulté à décanter. Ainsi par succession de phases anaérobies .7 g de chlorure ferrique pur. le mécanisme de suraccumulation nécessite de placer la biomasse alternativement en phase anaérobie et aérobie.organismes jusqu'à des valeurs pouvant atteindre 10 % de leur poids sec. L'élimination du phosphore peut être réalisée par un traitement physico .chimique basé sur la capacité qu'à le chlorure ferrique Fe Cl3 de se combiner avec les ions phosphates pour former un précipité de phosphate de fer Fe PO4. il est le point de passage obligé entre le métabolisme des glucides et celui des lipides). Cette réabsorption est plus importante que ce qui avait été relargué en anaérobiose.organismes responsables de son élimination. on peut obtenir une accumulation progressive du phosphore dans ces micro . (Dans les organismes vivants. Tout ce processus conduit à assurer une élimination du phosphore de l'ordre de 50 à 65 % dans les eaux à traiter. En phase anaérobie des bactéries acétogènes anaérobies facultatives utilisent le carbone organique pour produire de l'acétate. On comprendra que l'alternance de phase a un intérêt dans tous les cas d'élimination des agents polluants. En phase aérobie. . Pour la station de Péruwelz. organismes en zone aérobie.Elle renforce l'accumulation du phosphore dans les micro . La plupart des stations d¶épuration municipales fonctionnent selon ce principe. Ce système est le plus souvent utilisé pour les eaux très chargées provenant d¶industries agroalimentaires. Les bactéries agissent au niveau des graviers. la position de la chambre en aval du bassin d'aération La séparation de l¶eau traitée de la masse des bactéries (que l¶on appelle boues ») se fait dans un bassin spécifique : le "clarificateur". De là. Il apparaît que c'est dans cette zone qu'il est opportun de placer le déversoir permettant à la liqueur mixte de quitter le réacteur pour passer au clarificateur. Les filtres à roseaux : Les eaux usées sont traitées dans un bassin à deux étages de graviers planté de roseaux. Les procédés biologiques à cultures fixées : les biofiltres et les lits bactériens Le principe de ces procédés consiste à faire percoler l¶eau à traiter à travers un matériau sur lequel les bactéries se développent constituant alors un biofilm sur ce support. Les filtres à sable (FS) : L¶eau traverse un massif de sable qui la filtre. Le décantateur-digesteur : Les matières en suspension tombent par gravité.lit bactérien (des galets ou des supports alvéolaires) : les eaux usées décantent sur un lit bactérien poreux L'aération est donnée par l'oxygène de l'air. Le biofilm qui se forme se détache et tombe au fur et à mesure de sa formation. Lit bactérien : L¶épuration des eaux par lit bactérien est une méthode d¶épuration biologique par cultures fixées. Les microorganismes se développent naturellement. une grande partie des boues extraites du clarificateur est ensuite renvoyée dans le bassin. Pour conserver un stock constant et suffisant de bactéries dans le bassin de boues activées. d¶apport viticole ou autres« . des bactéries épuratrices se développent et complètent cette filtration. . décantation. la présence des roseaux permet d'aérer les eaux . . elle doit alors être séparée de l'effluent par décantation. Ensuite l¶effluent (eaux à traiter) va être aspergé sur le lit bactérien grâce à un gicleur. Puis.Description Cette technique consiste à faire supporter les micro-organismes épurateurs par des matériaux poreux ou caverneux. de plus. plastiques. une aération abondante. des graviers ou des sables). dupolystyrène. Ainsi. L'eau à traiter est dispersée en tête de réacteur. les cailloux) à travers lesquels on filtre l'effluent à traiter. dégraissage et décantation primaire (décanteur-digesteur). Dans les lits bactériens (ou filtres bactériens ou biofiltre). par le sommet et le bas du massif filtrant provoque sur ce dernier le développement d'une flore microbienne aérobie. les roches volcaniques. l'effluent (eau à traiter) est réparti aussi uniformément que possible (dispersion en pluie par une grille de répartition rigoureusement plane) à la surface du filtre. la percolation lente de l¶effluent rend le processus d'oxydation efficace. Pour ne pas avoir un colmatage rapide de la culture bactérienne. elle se détache naturellement. dessablage. il faut effectuer les opérations de pré-traitement suivantes : dégrillage. des schistes. L¶eau va donc dans un décanteur secondaire (ou clarificateur) afin d¶éliminer les éventuelles boues restantes .les bio filtres (des argiles cuites. comme la pouzzolane et le coke métallurgique. le Développement des bactéries se fait sur des disques. là les bactéries aérobies vont minéraliser la matière organique en suspension. la masse active des micro-organismes se fixe sur des supports poreux inertes ayant un taux de vide d'environ 50% (minéraux. Lorsque la pellicule bactérienne devient trop importante. Lebiofilm obtenu dans ce cas reste accroché aux filtres. L'aération dans le lit bactérien est réalisée par tirage naturel ou par ventilation. traverse le garnissage et peut être reprise pour une re-circulation.