Les boues activées au sein de la chaîne de traitement d’eau

usée urbaine dans une station conventionnelle d’épuration. Si le traitement biologique par des boues activées est le cœur de cette chaîne, il ne faut pas le regarder hors du contexte général en négligeant les étapes antérieures et ultérieures et leurs effets possibles sur la qualité finale de l’eau traitée. Les principales étapes sont donc : le grillage, le dessablage/déshuilage, le traitement primaire, le traitement secondaire biologique, le traitement tertiaire s’il est applicable, la clarification et les traitements parallèles des rejets.

Figure 1.14 Schéma simplifié d’une station d’épuration d’eau usée urbaine

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a. Le dégrillage

Cette étape permet de débarrasser les eaux usées de grands objets tels que des étoffes, des papiers, des plastiques … Le but est de protéger les installations et prévenir les blocages de l’appareillage. Les eaux sont alors canalisées à travers une série de grilles ayant des mailles de plus en plus serrées qui rejettent généralement tout corps ayant une dimension minimale supérieure à 6 mm. Si le maillage se resserre jusqu’à 0,5 mm on parle plutôt d’un tamisage.

b. Le dessablage/déshuilage

Durant cette étape, l’eau circule à travers un canal à une vitesse suffisamment faible pour permettre aux particules solides (essentiellement du sable, de petits cailloux ou morceaux de verre) de sédimenter en bas et permettre aussi aux huiles, aux graisses et tout autre composé qui est moins dense que l’eau et non-miscible avec celle-ci de flotter à la surface. Cependant, la vitesse de l’eau ne doit pas être très faible pour permettre une sédimentation massive dans les canaux du grillage ce qui risque de les boucher. Un bullage d’air à travers l’eau permet d’accélérer la flottation des huiles et des graisses. La phase flottante est séparée par un système qui permet le raclage continu de la surface de l’eau dans le bassin. Dans certaines stations d’épuration, les deux étapes de dessablage et de déshuilage peuvent s’effectuer dans des étapes séparées, dans d’autres on peut se contenter d’un dessablage sans un déshuilage. L’élimination du sable à l’entrée de la STEP permet de diminuer l’usure par abrasion des systèmes de pompage utilisés en aval, alors que la séparation des huiles permet d’améliorer les échanges gazeux à la surface de l’eau traitée.

c. Le traitement primaire

Les sédiments formés dans cette étape sont appelés « boues primaires » et sont pompés continuellement en dehors d’un bassin dit « de la première décantation » pour subir ensuite le traitement des boues. Le traitement primaire de l’eau est donc une simple décantation qui permet de diminuer significativement la turbidité des eaux usées en éliminant jusqu’à 60 % des solides en suspension et environ 30 % des demandes chimiques et biochimiques en oxygène (DCO et DBO).

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Le principe de la décantation discrète d’une particule supposée sphérique repose sur l’équilibre de trois forces : (1) le poids qui attire cette particule vers le bas, (2) la poussée d’Archimède exercée par le liquide déplacé qui la pousse vers le haut et (3) la résistance du fluide qui s’oppose à son mouvement (Annexe 1). Actuellement, la plupart des nouveaux STEP n’effectuent plus le traitement primaire et poursuivent directement vers le traitement biologique.

d. Le traitement biologique (secondaire)

L’eau usée, ayant subie le traitement primaire, contient toujours des polluants solubles (essentiellement de la matière organique mais aussi des ions minéraux) qui ne décantent pas. Le traitement secondaire biologique à base de boues activées consiste à mettre ces eaux en contact avec un consortium très diversifié de microorganismes (bactéries, champignons, protozoaires, …) qui vont consommés les substances solubles pour couvrir leurs besoins métaboliques et débarrasser ainsi l’eau de ces polluants. On distingue trois modes de fonctionnement des boues activées suivant les types métaboliques des microorganismes engagées (Annexe 2) :

(1) en mode aérobie, l’oxygène est apporté par aération intensive de l’eau ce qui permet à la biomasse du type métabolique hétérotrophe aérobie stricte ou facultative d’oxyder et de consommer la matière organique comme source de carbone et d’énergie pour former de la nouvelle biomasse et maintenir vivante la biomasse préexistante. D’autre part, la biomasse autotrophe aérobie utilise l’oxygène pour oxyder l’ammoniac en nitrate et produire de l’énergie ;

(2) en mode anoxique, l’oxygène n’est pas apporté et par suite, la biomasse hétérotrophe aérobie/anaérobie facultative continue à utiliser la matière organique mais en remplaçant l’oxygène par du nitrate comme accepteur d’électrons, le réduisant ainsi en diazote ;

(3) en mode anaérobie, il y a ni oxygène ni nitrate ; seule la biomasse hétérotrophe anaérobie stricte ou facultative peut agir en transformant la matière organique en acides gras volatils. Ce mode fermentatif a été nouvellement introduit pour permettre l’élimination des phosphates par voie biologique.

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e. La clarification

C’est une deuxième étape de décantation qui permet de séparer l’eau ainsi épurée, des boues activées. Une partie des boues décantées sera récupérée par recirculation vers le bassin du traitement secondaire et les boues excessives (appelées « boues secondaires ») seront sujettes au traitement des rejets. L’eau épurée peut être libérée dans le milieu récepteur après avoir subie une éventuelle désinfection (par du chlore, de l’ozone ou de l’irradiation UV).

f. Les traitements des refus

Les différentes étapes du traitement des eaux usées présentent cinq types de refus, à savoir les refus du grillage, les sables, les huiles, les boues primaires et les boues secondaires. En gros :

(1) les refus du grillage sont généralement incinérés,

(2) les sables sont d’abord lavés pour éliminer la matière organique adsorbée qui peut causer de mauvaises odeurs puis utilisés comme matière de remplissage,

(3) les huiles peuvent être valorisées en tant que source d’énergie

(4) et les boues primaires et secondaires sont généralement mélangées pour former ce qu’on appelle des « boues mixtes » avant d’être traiter par divers procédés pour les déshydrater et réduire leur volume ou les valorisées en agriculture.

1.4.1.2. Les voies d’élimination des polluants dans les boues activées