Activité biologique

Comme l’eau contient de l’oxygène dissous, du CODB et généralement un peu d’ammoniaque et des nutriments, les milieux filtrants sont progressivement colonisés par des bactéries qui se fixent sur la surface externe des grains du filtre, les micropores du CAG étant trop petits pour que les bactéries y pénètrent (van der Aa et al., 2002). Les micro- organismes qui colonisent le CAGB peuvent inclure des bactéries (bâtonnets, cocci et filamenteuses), des protozoaires, des champignons (Chien et al., 2008) et des invertébrés (Li et al., 2010). Li et al. (2010) ont fait une caractérisation poussée de ces invertébrés, identifiant 37 espèces d’invertébrés dont 28 étant des rotifères. Les bactéries responsables de l’élimination du CODB sont hétérotrophes aérobies (ex : Pseudomonas, Acinetobacter). La réaction globale est la suivante :

CODB + O2 → CO2 + H2O + biomasse

Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes aérobies et transforment l’ion ammonium en nitrates par nitrification. La nitrification s’effectue en deux étapes :

- la nitritation : transformation de l’ion ammonium en nitrites par les bactéries du genre Nitrosomonas 4 2 2 2 3 2 2 NH_ O _ H_H O NO_ 

- la nitratation : transformation des ions nitrites en nitrates par les bactéries du genre Nitrobacter

2 2 3

1 2

NO_ O _NO

La réaction globale s’écrit :

4 2 2 3 2 2

NH O NO HH O

Wang et al. (1995) ont évalué la quantité de biomasse présente dans trois types de filtres (voir Tableau 2). La quantité de biomasse dans les biofiltres diminue au fur et à mesure que la profondeur du filtre augmente. L’enlèvement de la MOD se ferait donc principalement dans la couche supérieure des filtres. Ces auteurs ont comparé les quantités de biomasse fixées sur différents supports. Selon eux, le CAGB peut contenir de 5 à 8 fois plus de biomasse que l’anthracite ou le sable. Par contre il n’y aurait pas nécessairement de relation directe entre la quantité de biomasse présente dans un biofiltre et la performance de ce biofiltre (Juhna and Melin, 2006). (Wang et al., 1995)

Tableau 2 : Quantité de biomasse dans différents filtres après 95 jours et 1 an d'opération (d’après Wang et al. 1995)

Milieu biofiltrant

Biomasse fixée (nmol phospholipides(1)/g de milieu biofiltrant)

Après 95 jours Après 1 an

Surface Surface 15 cm de profondeur 30 cm de profondeur Anthracite-sable 55 64,8 41 - sable 90,6 - - - CAG1-sable 305 287 234 171 CAG2-sable 465 419 273 249 CAG3-sable 382 267 175 -

CAG1 : « microporeux »-Filtrasorb 400

CAG2 : « mésoporeux »-Norit Hydrodarco 4000 CAG3 : « macroporeux »-Picabiol

(1) Composants des membranes cellulaires

Simpson (2008) a également observé que l’activité du biofilm microbien augmente drastiquement lorsqu’adsorbé sur du CAGB. Cela serait dû en partie au fait que les biofilms fixés sur du CAGB sont moins affectés par les conditions environnementales (température, pH, nutriments, produits métaboliques et substances toxiques) que ceux fixés sur du sable ou de l’anthracite (Pedersen, 1990). Il est possible d’évaluer l’activité du biofilm à l’aide de tests biochimiques pour mesurer certaines enzymes spécifiques ou des produits spécifiques du métabolisme bactérien (Lazarova and Manem, 1995). Les conditions dans la phase liquide du lit de CAGB sont aussi indicatrices de l’activité du biofilm. Par exemple, un nombre important de protozoaires ciliés et de rotifères nageant librement dans la phase liquide du lit de CAGB est indicateur d’un enlèvement appréciable de carbone organique par les bactéries attachées à la surface du CAG ou celles encastrées dans la matrice extracellulaire (Madoni et al., 2001; Scholz and Martin, 1998). Des ratios désirables de bactéries et de protozoaires peuvent être recherchés pour optimiser la croissance du biofilm sur le CAGB en changeant le pH, la concentration d’oxygène dissous et les nutriments

disponibles à l’entrée du filtre biologique (Scholz and Martin, 1997; Seredyńska-Sobecka et al., 2006).

La faible concentration en matière organique à l’affluent des biofiltres utilisés en eau potable (par rapport aux concentrations retrouvées dans les eaux usées) ne semble pas nuire au taux de croissance de la biomasse. En effet, le taux maximal de croissance de l’ordre de 0,1 h-1 (g cellules produites/g cellules.h) qui a été observé par Magic-Knezev et van der Kooij (2006) a été atteint à faible concentration de substrat (10 µgC/L en acétate). Ce taux de croissance a été mesuré pour le genre Polaromonas qui serait un des genres prédominants dans les biofiltres en eau potable (Magic-Knezev and van der Kooij, 2006) malgré que Li et al. (2010) aient trouvé le genre Lepadella. Même s’il est considéré comme faible par Magic-Knezev et van der Kooij (2006), il est à noter que cet ordre de grandeur est comparable à la gamme typique de taux de croissance qui est observé en traitement des eaux usées (Metcalf & Eddy, 2003). Le taux maximal de croissance varie en fonction du pH et de la température (van der Aa et al., 2006).

En termes de rendement, des taux d’enlèvement de 0 à 30 µg CODB/(L·min) sont rapportés par Huck et al. (1994). Ces taux ont été calculés avec l’Équation 1 : (Huck et al., 1994)





Où Taux enl.= Taux d’enlèvement de CODB (µg /(L.min)) TCFV= Temps de contact en fût vide (min)

Caffluent = concentration de CODB à l’entrée du biofiltre (µg/L) Ceffluent = concentration de CODB à la sortie du biofiltre (µg/L)

D’autre part, plusieurs auteurs mentionnent le phénomène de biorégénération de la capacité d’adsorption interne dans les filtres au CAGB (maintien d’une certaine capacité d’adsorption interne en mode biologique). Deux mécanismes sont proposés dans la littérature pour expliquer ce phénomène :

 Le premier mécanisme implique une biodégradation suite à une désorption des composés organiques, la désorption étant causée par le gradient de concentration entre la surface du CAGB et la phase liquide du lit filtrant;

 Le deuxième mécanisme implique l’excrétion d’exo-enzymes par les micro- organismes et leurs réactions avec les substrats adsorbés (Aktaş and Çeçen, 2007).

Certains chercheurs croient que la deuxième hypothèse est peu probable compte tenu de la faible taille des pores et de l’espace déjà occupé par les matières adsorbées (Aktaş and Çeçen, 2006; Klimenko et al., 2002). Il est aussi difficile expérimentalement de séparer les phénomènes d’adsorption et de biodégradation ce qui gêne l’étude du phénomène de biorégénération.