Principaux types de bassins

Selon le procédé mis en jeu et les caractéristiques de conception (surtout la profondeur) on distingue plusieurs types de bassin, la configuration la plus utilisée dans les filières de traitement par lagunage est basée sur la disposition en séries de deux bassins anaérobies suivis de trois bassins de finitions (Mara et al., 1998, 1992; Cemagref , 1997).

1.3.1 Bassins anaérobies

Les bassins anaérobies sont généralement installés au début du traitement par lagunage, et reçoivent les eaux usées brutes caractérisées par une forte charge en matières en suspension. La profondeur de ces bassins est relativement importante (entre 2 et 5 mètres), ce qui empêche l’oxygénation du milieu soit par photosynthèse soit par diffusion depuis l’air, impliquant la prédominance des conditions anaérobies.

Ce type de bassin est généralement utilisé dans les zones municipales produisant une importante charge organique où la présence d’industries peut constituer une contribution essentielle aux eaux résiduaires émises. Les réactions chimiques produisent du sulfite d’hydrogène et d’autres composés odorants ce qui explique l’utilisation parfois d’aérateurs mécaniques dans ces bassins, permettant la présence d’une mince couche aérobie en surface qui empêche le dégagement d’odeurs nuisibles. Les longs temps de séjour et la profondeur qui caractérisent les bassins anaérobies, favorisent le dépôt des matières en suspension et ainsi la formation des boues L’abattement en DBO5 peut atteindre les 60%, mais l’effluent provenant des bassins anaérobies nécessite plus de traitement (Bitton, 2005; Mara et al., 1998; US EPA, 2011).

1.3.1.1 Mécanisme épuratoire

Le fonctionnement des bassins anaérobies est basé sur le processus de méthanisation qui se déroule en deux étapes interdépendantes [formation d’acides] et [production de méthane], pendant lesquels les microorganismes anaérobies transforment la matière organique en produit stable comme le CO2et le CH4 (Almasi et Pescod, 1996; Ashworth et Skinner, 2011).

1.3.1.2 -Formation d’acides

Pendant cette étape, les bactéries transforment la matière organique complexe (carbohydrates, lipides et protéines) en composés organiques simples, principalement des composés à courte chaine (acide acétique, propionique ou lactique).

Les bactéries anaérobies impliquées durant cette phase sont appelées « formeurs d’acides » et sont classifiées comme organismes non méthanogènes. Au cours de cette étape, la demande chimique en oxygène (DCO) est faible avec une réduction en DBO5, puisque les acides gras, les alcools peuvent être utilisés par plusieurs microorganismes aérobies (Almasi et Pescod, 1996; Ashworth et Skinner, 2011; Kayombo, 2005; Shilton et Harrisson, 2003; US EPA, 2011).

1.3.1.3 -Production de méthane

La phase de production de méthane comprend une étape intermédiaire d’acétogenèse pendant laquelle les bactéries transforment les acides organiques à courte chaine en acétate, en (H2), et en (CO2). Ensuite vient le processus de méthanogenèse pendant lequel certaines espèces de bactéries strictement anaérobies appelées « formeurs de méthane » transforment l’acétate, le CO2, et le H2en CH4, à travers les réactions (1) et (2) suivantes :

CO2+ 4 H2à CH4+ 2 H2O (2)

Lorsque les bassins sont bien dimensionnés, l’acétogenèse et la méthanogenèse se produisent simultanément dans un équilibre dynamique. Les acides organiques sont transformés en méthane, dès l’instant où ils sont formés, à partir de molécules organiques complexes. Le taux de croissance et de métabolisme des bactéries méthanogéniques peut être influencé par de simple variation de pH.

La digestion anaérobie se déroule normalement pour des pH compris entre 6 et 8 : en dessous de pH=6, l’activité des bactéries méthanogènes diminue rapidement et peut être complètement stoppée à partir de pH=5,5, alors que les bactéries acidogènes continuent à produire des acides gras volatiles (A.G.V.) jusqu’à des pH voisins de 4,5. Les changements brutaux de température peuvent entraîner un déséquilibre du processus qui pourrait entre autre ralentir une étape par rapport à une autre (les bactéries méthanogènes sont plus sensibles aux baisses de température que les bactéries acidogènes). Lorsque les bassins anaérobies sont stressés par des apports importants en matières organiques ou par des fluctuations de température, l’activité des bactéries méthanogènes est plus lente par rapport a la formation d’acides, conduisant à un certain déséquilibre, ce qui provoque l’accumulation des acides organiques et par conséquent la baisse du pH (US EPA, 2011; Kayombo, 2005; Senzia et al., 2003; WHO 1972).

1.3.2 Bassins de finition

L’effluent provenant du traitement par bassins anaérobies arrive généralement dans les bassins de finition qui sont dimensionnés avec une profondeur comprise entre 1 et 2.5m, un temps de séjour entre 7 et 50 jours, et sans aucune aération mécanique. La couche d’eau proche de la surface contient suffisamment d’oxygène dissous provenant de l’atmosphère et de l’oxygénation photosynthétique par les microalgues qui prolifèrent dans la zone photique, où les bactéries aérobies et facultatives oxydent et stabilisent les matières organiques des eaux usées. La zone anoxique profonde des bassins de finition contient les boues formées par la décantation des matières en suspension et décomposées par les bactéries anaérobies. La zone intermédiaire, appelée zone facultative, est située entre la zone aérobie proche de la surface et la zone anaérobie au fond. Cette stratification en trois zones distinctes, peut rester stable pendant plusieurs mois. Du fait de la différence de densité induite par le profil vertical de température dans ces bassins, normalement au printemps et en automne les trois zones sont mélangées de bas en haut, ce renversement inhibe la méthanogenèse par intrusion de l’oxygène dans la partie anaérobie profonde et par conséquent le carbone est assimilé par les microorganismes au lieu d’être transformé en biogaz (Ashworth et Skinner, 2011; Senzia et al., 2003; US EPA, 2011; WHO, 1972).

La présence des algues qui produisent de l’oxygène par photosynthèse est essentielle pour le bon fonctionnement des bassins de finition, durant les jours ensoleillés, la zone aérobie peut être sursaturée en oxygène. Sachant que les algues absorbent le CO2, le pH de l’eau en surface peut dépasser 10, créant ainsi des conditions favorables à l’élimination de l’azote par évaporation.

Pendant la nuit, les taux d’oxygène diminuent puisque l’activité photosynthétique des algues, ainsi que les niveaux d’oxygène et de pH atteignent leur valeur minimale pendant la nuit. Dans la zone aérobie des bassins de finition, l’oxygène est utilisé par les bactéries aérobies et facultatives pour stabiliser la matière organique, en se servant pendant leur métabolisme aérobie du carbone organique comme source d’énergie, leur permettant de synthétiser les substances nécessaires pour constituer de nouvelles cellules. Ainsi le taux de consommation d’oxygène par

les microorganismes constitue un facteur important au moment du dimensionnement des installations de traitement, et permet de fixe la quantité d’oxygène nécessaire pour stabiliser les matières organiques dans les bassins (DBO).

La méthanisation qui prend place en absence d’oxygène est l’activité dominante dans la partie profonde des bassins. Sous les climats froids, les réactions d’oxygénation et de méthanisation sont très lentes ce qui réduit la qualité du traitement par ces bassins au point que l’effluent provenant de ce bassin devient équivalent à celui de l’eau brute lorsqu’une couche de glace se forme à la surface des bassins (Ashworth et Skinner, 2011; Bitton, 2005; Mara et al., 1992; US EPA, 2011).