La dégradation du phosphore et de l’azote

Les effluents contenant du phosphore et de l’azote participent à l’eutrophisation des

plans d’eau. Pour cette raison, le contrôle de la concentration en phosphore et en azote dans

les eaux usées en sortie des stations d’épuration prend de plus en plus d’importance dans les

zones sensibles. Pourtant, le phosphore est le facteur limitant sur lequel il est possible de jouer

efficacement pour réduire l’eutrophisation continentale.

L’origine du phosphore dans les eaux usées est déduite de la connaissance des sources

de phosphore naturel et de son utilisation. Il peut provenir du métabolisme humain, des

produits de lavage et de nettoyage, des rejets industriels (industries agro-alimentaires,

d’abattoirs, laveries industrielles et chimiques spécialisées) et des rejets agricoles. Ce

phosphore, particulaire ou soluble, est essentiellement constitué de phosphore inorganique (en

grande partie sous forme de polyphosphates), d’orthophosphates (dont une partie provient de

l’hydrolyse du phosphate inorganique) et de phosphore organique. Les phospholipides, esters,

polynucléotides, ATP et ADP (respectivement adénosine triphosphate et adénosine

diphosphate) constituent quelques exemples de phosphore organique pouvant être trouvés

dans les eaux usées (Deronzier et Choubert, 2004).

L’azote présent dans les eaux résiduaires urbaines provient principalement des

déjections humaines. Les urines contribuent largement à cet apport surtout sous forme d’urée,

d’acide urique et d’ammoniaque. Par ailleurs, les eaux de cuisine véhiculent des protéines

comportant des acides aminés, et certains agents de surface (détergents, assouplissants) qui

incluent dans leurs molécules des radicaux azotés. L’azote des eaux usées est essentiellement

constitué d’azote organique ammonifiable ou réfractaire (sous forme soluble et particulaire) et

d’azote ammoniacal. L’azote organique est dit ammonifiable lorsqu’il peut être transformé

par hydrolyse enzymatique en azote ammoniacal. L’azote réfractaire est également appelé

azote dur et il n’est pas biodégradé lors de l’épuration. Les différentes fractions d’azote

organique d’une eau résiduaire urbaine brute exprimées en pourcentage d’azote global sont

présentées dans la figure 2.6.

2; 3% 2; 3% _{5; 7%}

10; 14%

50; 73%

N organique particulaire réfractaire

N organique soluble réfractaire

N organique soluble ammonifiable

N organique particulaire ammonifiable

N ammoniacal

Figure 2.6. Ordre de

grandeur des fractions

de l’azote en entrée de

station exprimées en

azote Kjeldahl (d’après

Déronzier et al., 2001).

Selon le dimensionnement des bassins et les conditions d’aération, l’étape biologique

peut dégrader non seulement une grande partie de la pollution carbonée (DCO et DBO

₅

), mais

également de l’azote et du phosphore. L’azote peut être restitué sous forme d’azote gazeux et

le phosphore est piégé dans les boues, éventuellement par ajout d’un coagulant.

Nous reviendrons par la suite sur les principaux aspects concernant l’épuration du

phosphore et de l’azote.

L’épuration biologique du phosphore

Les microorganismes assurant la dégradation du carbone et de l’azote intègrent du

phosphore à leur matériel cellulaire (structure membranaire, ATP et ARN – Acide

Ribonucléique). La partie de phosphore éliminée simplement par cette voie représente environ

25 % de la quantité journalière à dégrader. Afin d’augmenter les performances d’élimination

du phosphore, les installations à boues activées réalisent un transfert sous forme particulaire :

• soit par précipitation (voie physico-chimique) : l’intégration des agglomérats

bactériens sous forme liée ou complexée aux ions contenus dans les eaux usées

(calcium, magnésium, …) ou à des ions métalliques (fer ou aluminium) ajoutés ;

• soit par suraccumulation au sein de la biomasse épuratrice (voie biologique) :

l’incorporation dans des longues chaînes de polyphosphates au sein de bactéries

déphosphatantes est réalisée grâce à l’alternance des phases aérobie et anaérobie ;

• soit par combinaison des deux processus (filière combinée).

Dans les deux cas, le phosphore est ensuite éliminé des installations de traitement via

le soutirage des boues.

Le processus d’élimination du phosphore par voie biologique est complexe et reste à

ce jour encore non complètement élucidé. Il nécessite principalement la présence de la

matière organique carbonée rapidement biodégradable sous la forme d’acides gras volatils

(AGV) et d’un faible âge de boues. Ce processus peut être décrit, de manière simplifiée,

comme suit (figure 2.7) :

• Dans le bassin d’anaérobiose, les bactéries déphosphatantes synthétisent des

substances de réserve, les poly-β-alcanoates (PHA), à partir du substrat facilement

biodégradable des eaux usées et de l’énergie libérée par l’hydrolyse intracellulaire de

polyphosphates. Il en résulte un relargage de phosphore dans le milieu externe ;

• Dans le bassin d’aération, les PHA et la MO contenus dans les eaux usées sont oxydés

par les micro-organismes. La respiration (de l’oxygène) produit l’énergie nécessaire

aux bactéries qui régénèrent et augmentent leurs stocks de polyphosphates.

Figure 2.7. Processus simplifié de

déphosphatation au sein d’une bactérie en

conditions anaérobie et aérobie (d’après

Déronzier et Choubert, 2004).

L’élimination biologique du phosphore est liée à une réabsorption de phosphore plus

importante que le relargage (figure 2.8). Plusieurs ouvrages détaillent toutes les étapes

inhérentes à la dégradation du phosphore en anaérobie et en aérobie et présentent les

particularités de chacun de ces traitements (Henze et al., 2002 ; Randall et al., 1992).

Figure 2.8. Courbe de relargage

et de réabsorption du phosphore

(d’après Deronzier et Choubert,

2004).

Principe de l’épuration biologique de l’azote

L’azote peut être séparé des eaux usées par différents mécanismes : physique (par

décantation lorsqu’il est lié aux matières en suspension), physico-chimique (stripping sous

forme de gaz ammoniac lorsque le pH est basique, oxydations et réductions chimiques) et

biologique (incorporation aux bactéries produites, transformation en nitrates puis en azote

gazeux lors des processus de nitrification-dénitrification). Néanmoins, comme pour le

traitement des composés organiques carbonés, la voie biologique de l’épuration de l’azote se

révèle la plus économique (Chachuat, 2001a ; Hammer et Hammer, 2006). Les textes

réglementaires récemment élaborés ont pris en compte cette nécessité tandis que des progrès

étaient réalisés dans la conception et la gestion technique des stations d’épuration destinées à

traiter l’azote.

Dans les eaux résiduaires urbaines, l’azote se trouve sous forme d’azote ammoniacal et

d’azote organique. Une partie de l’azote ammoniacal (5 à 10%) est directement assimilée par

la biomasse tandis que la majeure partie peut subir, selon les conditions opératoires ou

environnementales, des processus biologiques de nitrification : les ions nitrates ainsi formés

sont réduits en N

2

gazeux par un processus biologique de dénitrification (figure 2.9).

La nitrification correspond au processus de l’oxydation de ions ammonium en ions

nitrite (réaction de nitritation effectuée par les microorganismes du genre Nitrosomonas) et

ions nitrate (réaction de nitratation effectuée par les microorganismes du genre Nitrobacter)

selon les réactions suivantes (Sharma et Ahlert, 1976). Cette étape requiert une forte quantité

d’oxygène.

Nitritation

55NH

4⁺

+ 76O

2

+ 109HCO

3^-

Æ C

5

H

7

NO

2

+ 54NO

2^-

+ 57H

2

O + 104H

2

CO

3

(2.6)

Nitratation

400 NO

2^-

+ NH

4^-

+ 4H

2

CO

3

+HCO

3^-

+ 195O

2

Æ C

5

H

7

NO

2

+ 3H

2

O + 400NO

3^-

(2.7)

Figure 2.9. Les étapes

du processus de

l’élimination biologique

de l’azote.

La dénitrification consiste en la réduction des ions nitrate en diazote gazeux par les

bactéries hétérotrophes, en conditions d’anoxie. Dans cette étape sont requises l’absence

d’oxygène dissous et la disponibilité de grandes quantités de carbone soluble biodégradable.

Elle nécessite en effet une source de carbone pouvant provenir soit de l’effluent à traiter, soit

d’un apport de carbone exogène, soit enfin d’une source de carbone liée aux microorganismes

dénitrifiants. La réaction globale de dénitrification s’écrit comme suit :

Dénitrification (réaction globale)

NO

3^-

+ H

3

O

⁺

Æ N

2

+ 3H

2

O + 5/2O

2

(2.8)

Le lecteur trouvera dans Cheremisinoff (1995) le descriptif des différentes

technologies utilisées dans la dégradation biologique de l’azote dans les systèmes de

traitement par boues activées. Dans la littérature, on trouve également quelques travaux qui

traitent des mécanismes de la cinétique du processus de nitrification-dénitrification dans les

systèmes d’épuration par boues activées avec dégradation de l’azote (Ekama et Wentzel,

1999).

Dans le document Effet de la variabilité du fractionnement de la pollution carbonée sur le comportement des systèmes de traitement des eaux usées par boues activées (Page 39-43)