Mise en contexte et problématique

Durant quasiment tout le 19e siècle, la pratique la plus commune pour la gestion des eaux usées était la dilution en milieu récepteur. Les premiers travaux sur la traitabilité des eaux usées n‟ont connu le jour que pendant la dernière décennie du 19e siècle et le tout début du 20e (Martin, 1927). À ce niveau, les études effectuées au Royaume-Uni par Mather et Platt en1893, Fowler en 1898 et Henderson en 1905 portaient sur l‟effet de l‟aération sur la stabilisation des eaux usées. En 1912, Clark and Gage ont mis en œuvre les premiers réacteurs de type fill and draw, améliorés ensuite par Fowler qui a introduit le principe de recirculation des boues (Martin, 1927). Il a fallu attendre l‟année 1914 et les travaux de Ardern et Lockett pour que le concept de boues activées soit utilisé pour la première fois décrivant ainsi le principe de Fowler quant à la concentration des boues par décantation secondaire et recirculation vers le bioréacteur aéré (Martin, 1927; Metcalf & Eddy, 2003).

Depuis lors, le procédé de boues activées a fait l‟objet de plusieurs études et recherches et a connu plusieurs améliorations tant sur le plan théorique que pratique, améliorations qui se doivent principalement aux progrès réalisés dans le domaine de la microbiologie des eaux usées, dans les méthodes d‟analyses mais aussi au niveau de la modélisation mathématique. Ce développement s‟est traduit au fil du temps par la mise au point de plusieurs configurations du procédé original s‟adaptant davantage à la nature des eaux usées à traiter et permettant aux opérateurs des stations d‟épuration de se conformer au mieux aux différentes exigences de rejet continuellement mises à jour.

À l‟heure actuelle, le procédé de boues activées est la solution biologique la plus utilisée pour le traitement secondaire des eaux usées. Un tel traitement fait intervenir toute une panoplie de microorganismes qui constituent la flore ou la biomasse épuratrice. Les rôles de cette biomasse sont : transformer (oxyder) la matière biodégradable (soluble et particulaire) en sous-produits acceptables dans le milieu récepteur, capter ou incorporer les solides en suspension et les colloïdes non décantables dans des flocs bactériens ou biofilms, transformer ou enlever les

nutriments (azote, phosphore) et dans certains cas, enlever des constituants organiques traces (Metcalf & Eddy, 2003).

Certes, les procédés conventionnels de traitement des eaux usées par boues activées permettent d‟arriver à un effluent de bonne qualité et de répondre conséquemment aux exigences de rejet, cependant ceux-ci sont réputés être de grands générateurs de boues excédentaires. Ces boues sont désormais considérées des déchets ou matières résiduelles à impact environnemental au même titre que l‟eau usée. Face à des contraintes environnementales de plus en plus sévères conjuguées à des contraintes sociales, économiques et techniques, la gestion de ces résidus devient un problème réel qui nécessite une résolution rationnelle.

La production de boues excédentaires se fait selon un taux de 10 à 100 L par kg de BOD5 enlevé

(Metcalf & Eddy, 2003). Les membres de la communauté européenne ont produit, à eux-seuls, 6.5 tonnes de boues sur base sèche en 1991/1992, chiffre qui était supposé doubler aux horizons de 2005 (Wei et al., 2003). Le traitement et le dépôt de ces boues, contenant à l‟origine plus de 99% d‟eau, restent assez dispendieux occasionnant des coûts pouvant atteindre 50%, voire même 60% des frais d‟opération des stations d‟épuration (Canales et al., 1994; Low and Chase, 1999; Wei et al., 2003).

Au Québec, la fraction valorisable des boues municipales ne représentait que 10% de la quantité annuelle générée en 2002 (218 000 tonnes sur base sèche), le reste étant enfoui ou incinéré (Recyc-Québec, 2003). De 1994 à 2002, la production de ces boues n‟a cessé d‟augmenter, situation qui nécessite la mise au point de procédés la limitant davantage. La réduction de la production de boues à la source (station d‟épuration) s‟inscrit dans le cadre d‟un processus de gestion durable des matières résiduelles et présente un intérêt économique manifeste.

Par ailleurs, la partie organique des boues générées dans les stations d‟épuration, mesurée communément en tant que matières volatiles en suspension VSS, est composée de quatre fractions particulaires, à savoir : la biomasse active principalement hétérotrophe (XH) et dans une

faible proportion autotrophe (XANO), la fraction particulaire lentement biodégradable (XB)

souvent négligeable,la fraction organique acheminée par l‟affluent (XU,Inf) et le résidu endogène

(XE) généré par le processus de respiration endogène (incluant dégradation, lyse, maintenance et

procédés de boues activées. Le contenu des VSS en ces deux fractions dépend du temps de rétention des boues (SRT) et pour le XU,Inf de sa concentration à l‟affluent.

Il est clair que toute stratégie visant la minimisation de la production de boues doit cibler la dégradation des fractions XE et XU,Inf. En effet, la biomasse active peut être biodégradée par

digestion aérobie ou anaérobie mais le XE et le XU,Inf ne le sont pas a priori.

Par ailleurs, les recherches ayant été consacrées à l‟étude des procédés visant la réduction de la production de boues ont toujours exprimé les performances de ces procédés en termes de décroissance du rendement cellulaire (Yobs) ou d‟enlèvement apparent de VSS ou de COD.

L‟effet de ces procédés sur chaque composante particulaire des boues, et particulièrement sur XE

et XU,Inf, a été rarement étudié. Par procédés biologiques, la dégradabilité de ces deux

composantes reste trop controversée (Araujo et al., 1998; Ekama et al., 2007; Johnson et al., 2008; Jones et al., 2007; Jones et al., 2008; Laera et al., 2005, Lubello et al., 2009). De loin, des cinétiques de biodégradation trop lentes aussi bien en aérobiose qu‟en anaérobiose, pourraient expliquer cette situation.