Changements opérationnels sur le procédé biologique

2.3.2.1 Actions biologiques

 Aération prolongée

Le procédé d‟aération prolongée est similaire au procédé conventionnel de boues activées si ce n‟est qu‟il est opéré en phase de respiration endogène qui requiert une faible charge organique et une longue durée d‟aération (Grady et al., 1999; Metcalf & Eddy, 2003). Pour ce procédé, les

SRT et HRT se situent dans les plages 20-40 d et 20-30 h respectivement. La charge organique est de 0.1 à 0.3 kg BOD5/m3/d et le ratio F/M varie de 0.04 à 0.10 kg BOD5/kg MLVSS/d

(Metcalf & Eddy, 2003). La production de boues excédentaires dans ce procédé se fait selon un taux de 0.15 à 0.30 kg/ kg BOD5 enlevé qui est inférieur au taux de 0.4 à 0.6 kg/ kg BOD5 enlevé

dans le procédé conventionnel (Corbitt, 1999). Les boues produites sont bien stabilisées avec un potentiel moindre d‟odeur.

 Amélioration de l’aération

Il s‟agit d‟une action qui vise à améliorer le système d‟aération et fournir un meilleur transfert d‟oxygène surtout au niveau des gros flocs bactériens qui manifestent une haute résistance à ce transfert. Pour étudier l‟effet de la concentration en O2 sur la production de boues en excès, un

modèle mathématique qui tient compte de la masse d‟oxygène transférée au floc, des réactions biochimiques et de la respiration endogène a été développé et testé au laboratoire par Abbassi et al. (2000). Les résultats de l‟étude montraient que l‟augmentation de l‟oxygène dissous dans la liqueur mixte améliore son transfert, effet expliqué par le fait que cette augmentation favorise la diffusion de l‟oxygène au sein des flocs et élargit ainsi le volume effectivement aérobie de la liqueur mixte. Le modèle montre aussi que la concentration en substrat devient faible à l‟intérieur des flocs, ce qui explique la faible croissance et l‟augmentation des besoins en énergie de maintenance, soit une réduction des boues produites (Abbassi et al., 2000).

 Amélioration de la prédation (procédé LSP®

)

Cette action vise à intensifier le processus microbien de prédation qui est déjà présent dans les systèmes de boues activées. Pour ce faire, un procédé à deux étages est mis en ouvre : le premier opéré à un très faible SRT (3-5 h) et sans recirculation de boues, permet l‟enlèvement de la BOD soluble et le développement de bactéries libres et de petits flocs dispersés, alors que le second opéré à un SRT élevé et avec limitation en substrat, conduit au développement d‟une flore prédatrice (protozoaires et métazoaires) qui s‟alimente sur la biomasse du premier étage (Lee and Welander, 1996b). En effet, la prédation est accompagnée d‟une perte d‟énergie lorsqu‟elle subit un transfert d‟un niveau trophique inférieur à un autre supérieur (Gerardi, 2006; Luxmy et al., 2001; Ratsak et al., 1994; Wei et al., 2003). L‟utilisation d‟un système de boues activées à deux niveaux trophiques résulte en une production de boues estimée au 1/3 de celle générée dans un

système conventionnel (Asselin et al., 2005; Stuart et al., 2000). L‟introduction d‟un second stage a permis d‟avoir une réduction du taux de production des boues de 11 à 43% dans (Ratsak et al., 1994). Avec un second stage composé d‟un biofilm, une réduction du taux de production de boues de 32 à 93% a été observée dans (Lee and Welander, 1996a,b).

 Ajout de biostimulants

L‟introduction d‟additifs biostimulants permet d‟améliorer la biodégradation de la matière organique présente dans les systèmes de boues activées (Mahmood and Elliott, 2006). De tels produits, d‟ailleurs brevetés et à compositions confidentielles, sont souvent des enzymes ou des nutriments stimulant l‟activité métabolique des microorganismes (Miller et al., 1996). Ainsi, l‟addition du para-nitrophénol pour découpler le cycle de phosphorylation (ADP-ATP) a permis de réduire la production de boues de 50% dans (Low et al., 2000).

 Procédé OSA

Le procédé oxic-settling-anaerobic (OSA) est une modification du procédé conventionnel de boues activées par introduction d‟une zone anaérobie sur la ligne de recirculation des boues (Chen et al., 2003; Liu and Tay, 2001). Les microorganismes hétérotrophes sont capables de générer leur ATP à partir de substrat exogène disponible dans la zone aérée. En anaérobiose, et en l‟absence d‟une source de substrat, ils ne seront plus dans la mesurer de produire cette ATP et seront même obligés de chercher leur source d‟énergie dans leurs propres réserves en ATP. Une fois de retour en aérobiose, ces microorganismes auront des besoins imminents en énergie pour remplacer leurs réserves épuisées en ATP prioritairement à toute forme de biosynthèse. En fait, il y a un découplage métabolique entre le catabolisme et métabolisme qui s‟établit dans cette alternance de conditions aérobies et anaérobies (Chudoba et al., 1992; Liu and Tay, 2001). Chudoba and Capville (1991) et Chudoba et al. (1991) ont rapporté un taux de réduction de boues de 20 à 65% dans le procédé OSA et une nette amélioration dans la décantabilité des boues (faible SVI) par rapport au système conventionnel.

Le procédé OSA faisant alterner des conditions aérobies et anaérobies a été étudié et interprété en termes de variabilité du potentiel d‟oxydoréduction (ORP) dans (Chen et al., 2001) et (Saby et al., 2003). Les résultats de la première étude ont montré que le taux de réduction des boues passe de 23 à 58 % lorsque l‟ORP passe de +100 à -250 mV dans la zone anoxie (au lieu d‟anaérobie). La

seconde étude quant à elle comparait le procédé OSA opéré à un potentiel ORP de -250 mV à deux autres techniques de réduction des boues, à savoir la chloration des boues et le découplage métabolique chimique à l‟aide du 3,3’,4’,5-tetrachlorosalicylanilide (TCS). La réduction de la production de boues dans le procédé OSA était de l‟ordre de 50%. La chloration à une dose de 0.066 g Cl2 /g MLSS réduisait la production de boues de 60% avec une production de THMs

inférieure à 200 ppb. Le découplage chimique au TSC à une dose 0.8 ppm permettait de réduire les boues excédentaires de 45%.

Dans une autre étude (Chen et al., 2003) essayant d‟identifier les mécanismes responsables de la faible production de boues dans le procédé OSA, les auteurs ont conclu que le mécanisme de découplage métabolique n‟est pas la raison de cette faible production de boues qu‟ils ont plutôt associée à une dégradation de la biomasse en milieu anaérobie. Ce résultat a été expliqué par le fait que le taux de réduction de boues avait tendance d‟augmenter lorsque le bassin anaérobie était opéré dans des conditions de plus en plus strictes (très faible ORP).

 Procédé de MBR

Ce procédé est repris avec plus de détails dans la section 2.4 de cette revue de littérature.

2.3.2.2 Actions non biologiques

 Désintégration mécanique

La désintégration mécanique a été étudiée au laboratoire pour évaluer son potentiel à désagréger les cellules bactériennes et de produire de la COD soluble (Springer et al., 1996). Différents moyens permettent de réaliser une telle désintégration à des températures de 30°C et 40°C : moulins (KADY) et disperseurs (Cowles et IKA). Le potentiel de ces équipements a été évalué dans cette étude. Les moulins KADY se sont montrés plus performants avec un taux de solubilisation de la COD allant de 31.8 à 43.5% pour un temps de traitement de 20 à 60 min. Pour comparer l‟effet de l‟intégration des moulins KADY dans la chaîne de traitement, une comparaison a été faite par rapport à une référence constituée d‟un système conventionnel opéré dans des conditions similaires. La production de boues était de 0.33 kg TSS/ kg de BOD enlevé pour le système à moulins contre 0.75 kg TSS/ kg de BOD enlevé au niveau de la référence.

 Traitement aux radiations UV

L‟effet d‟exposition des boues à des radiations UV a été étudié par Smith (1971). Dans cette étude, une portion des boues de recirculation était acheminée vers une unité de biolyse pour être exposée à des irradiations UV pendant de très courtes durées. La technique permettait d‟obtenir une réduction de la production des boues de 15 à 18% pour une exposition de 30 s (Elliott et al., 1999).

 Désintégration thermique

Similaire au procédé aux irradiations UV, la désintégration thermique a été utilisée par Smith (1973). L‟unité de biolyse a été remplacée par une unité de désintégration thermique (T varie de 50 à 100°C). La technique a été appliquée en combinaison avec un procédé de MBR (Canales et al., 1994) résultant en une réduction de la production de boues. En effet, comparé à une unité témoin, le taux de production des boues passe de 0.35 à 0.30 g COD boues / g COD pour un traitement thermique de 0.03 h et de 0.42 à 0.17 g COD boues / g COD pour une durée de 0.10 h. Quant aux performances du traitement biologique, elles ne sont pas affectées par l‟introduction de l‟unité de désintégration thermique. Une réduction de près de 60% a été obtenue dans (Camacho et al., 2005) pour une température de traitement de 95°C, des temps de contact de 5 à 45 min et des fréquences de stress de 0.2 à 0.1 d-1.

 Traitement au chlore

La chloration des boues biologiques constitue une alternative intéressante pour la réduction de la production de boues. L‟introduction d‟une zone de chloration dans un procédé de MBR a permis de montrer la faisabilité de la méthode et sa contribution à réduire la production de boues de près de 65 % par rapport à une unité référence sans chloration (Saby et al., 2002). Les boues ont été soutirées du bioréacteur aéré pour subir une chloration à une dose de 133 mg Cl2/ g MLSS durant

toute la période de l‟étude (1 minute d‟injection, suivie de 10 min de recirculation dans l‟unité de chloration puis d‟un retour au bioréacteur aéré). Les auteurs indiquaient que dans le cas d‟un système de boues activées conventionnel, la décantabilité des boues pourrait être largement affectée par la chloration mais aussi les performances épuratoires : augmentation de la COD soluble et des SMP à l‟effluent. C‟est pour cette raison que l‟étude a été réalisé dans un MBR plutôt pour surmonter efficacement ces problèmes.