Le traitement biologique des eaux usées est effectué grâce à une série de processus importants qui ont en commun l’utilisation de microorganismes (parmi lesquels signalons les bactéries) pour effectuer l’élimination des composants solubles dans l’eau. Ces processus mettent à profit la capacité des microorganismes à assimiler la matière organique et les nutriments (azote et phosphore) dissous dans l’eau usée pour leur propre croissance. Lorsqu’ils se reproduisent, ils s’agrègent entre eux et forment des flocules macroscopiques avec suffisamment de masse critique pour se décanter en un temps raisonnable.
L’application traditionnelle consiste en l’élimination de matière organique biodégradable, qu’elle soit soluble ou colloïdale, ainsi que l’élimination de composés contenant de l’azote et du phosphore. C’est l’un des traitements les plus répandus, non seulement dans le cas des eaux usées urbaines mais aussi en grande partie des eaux industrielles, de par sa simplicité et son faible coût économique d’exploitation.
Dans la plupart des cas, la matière organique constitue la source d’énergie de carbone dont ont besoin les microorganismes pour leur croissance. Il est également nécessaire de compter sur la présence de nutriments, contenus par les éléments essentiels pour la croissance, particulièrement de l’azote et du phosphore, et enfin, dans le cas de systèmes aérobies, la présence d’oxygène dissous dans l’eau. L’oxygène n’est pas indispensable, car les microorganismes sont capables de dégrader la matière organique également en conditions anaérobiques. Cet aspect sera essentiel au moment de choisir le processus biologique le mieux adapté.
Dans le métabolisme cellulaire, l’accepteur final d’électrons joue un rôle fondamental dans les processus d’oxydation de la matière organique. Cet aspect a aussi une influence sur les possibilités d’application au traitement des eaux usées. Concernant ce que l’on appelle, l’accepteur final d’électrons, on distingue trois cas:
- Systèmes aérobies: l’oxygène est l’accepteur final d’électrons préféré par toutes les cellules. S’il y a de l’oxygène dans l’environnement, celui-ci sera l’accepteur final d’électrons, ce qui implique d’obtenir des rendements énergétiques élevés et une importante production de vases, à cause de la croissance importante des bactéries en conditions aérobies.
- Systèmes anaérobies: dans ce cas l’accepteur final d’électrons est la matière organique elle-même qui agit en tant que source de carbone. En conséquence de ce métabolisme, la plupart du carbone est destiné à la formation de sous-produits de la croissance (biogaz, c’est-à-dire CO2 et méthane) alors que la fraction de carbone utilisée pour la synthèse cellulaire est basse. Pour ce qui est du traitement, cela entraine deux avantages : il se produit une faible quantité de boues en même temps que du biogaz est produit, ce qui peut être valorisé. Il est généralement mis à profit pour produire de l’énergie électrique, qui est consommée par l’installation elle-même.
- Systèmes anoxiques: C’est ainsi que l’on nomme les systèmes dont l’accepteur final d’électrons n’est ni l’oxygène, ni la matière organique. En conditions anoxiques, l’accepteur finale d’électrons sont généralement les azotes, les sulfates, l’hydrogène, etc. Lorsque l’accepteur final d’électrons est le nitrate, en conséquence du processus métabolique, l’azote de la molécule de nitrate est transformé en azote gazeux. Ainsi, ce métabolisme permet l’élimination biologique de l’azote de l’eau usée (dénitrification).
Avantages de chaque système selon critère
En prenant en compte tous ces aspects, il existe une grande variété de modes opératoires, en fonction des caractéristiques de l’eau, ainsi que la charge organique à traiter. Les critères qui aident à sélectionner s’il est préférable de choisir un processus aérobie ou si un processus anaérobie serait plus profitable, sont la concentration de matière organique à éliminer, s’il est nécessaire d’éliminer de l’azote, la disponibilité d’espace physique et la relation entre l’OPEX et le CAPEX du projet. Dans le tableau suivant, on peut observer comment, en fonction de certains critères, quel type de processus (aérobie ou anaérobie) convient le mieux:
| Aérobie | Anaérobie | |
| Concentration matière organique | DQO<3 000 mg/L | DQO<3 000 mg/L |
| Espace requis | Très grand | Petit |
| Élimination de nutriments | Possible | Impossible |
| CAPEX (coûts d’investissement) | Bas | Élevé |
| OPEX (coûts d’exploitation) | Élevé | Bas |
D’un autre côté, la biomasse peut croitre librement, en suspension à l’intérieur du bioréacteur, ou bien en adhérant à un support (biomasse fixe). Dans le processus conventionnel, elle croit en suspension, comme dans le cas des réacteurs séquentiels (SBR) et dans les réacteurs à biomembrane (MBR) Dans les réacteurs à biodisques, biofiltres, filtres percolateurs ou à lit mobile (MBBR) la biomasse croit en adhérant à la surface d’un support en plastique ou avec du sable. Ce critère, si la biomasse croit en suspension ou fixée à un support, entraine une série de conséquences pratiques qu’il convient de prendre en compte au moment de sélectionner quelle technologie est la plus appropriée. Ils sont résumés par le tableau suivant:
| Biomasse fixe | Biomasse en suspension | |
| Espace requis | Petit | Grand |
| CAPEX (coûts d’investissement) | Élevé | Bas |
| OPEX (coûts d’exploitation) | Bas | Élevé |
| Élimination des nutriments | Basse | Élevée |
| Flexibilité d’opération | Moyenne-basse | Élevée |
| Réponse à toxiques et/ou inhibiteurs | Moyenne-basse | Élevée |
Par conséquent, la sélection du processus biologique le plus approprié peut s’effectuer après analyse des caractéristiques de l’effluent, le type de processus industriel qui le génère, le degré d’épuration requis et les besoins généraux du client. Condorchem Envitech dispose d’une longue expérience dans la conception, la fabrication, l’installation, la mise en marche et l’exploitation de stations d’épuration biologiques, qu’elles soient aérobies ou anaérobies, adaptées aux besoins particuliers de leurs clients.
Il existe des configurations singulières qui rassemblent les avantages des différent systèmes. C’est le cas du réacteur BioCarb®, lequel est un modèle exclusif déposé par Condorchem Envitech et qui est basé sur le développement d’un réacteur aérobic fixe dont la matière de remplissage est le charbon de lignite granulé. Le charbon filtre, adsorbe et sert de support à la biopellicule, en plus d’alimenter les microorganismes de minéraux et les éléments trace. D’autre part, le processus d’adsorption réalise une double contribution au processus en stratifiant les pics de chargement de contaminants et en faisant que le temps de résidence des contaminants à l’intérieur du réacteur augmente ce qui rend possible la dégradation de composés organiques persistants. Le réacteur BioCarb® s’est montré particulièrement efficace pour le traitement de contaminants difficiles à biodégrader et avec la couleur. De plus, l’immobilisation de la biomasse en surface du charbon de lignite permet de réaliser en une seule étape un traitement biologique et physicochimique des eaux résiduelles.
Concernant les systèmes anaérobies, la longue expérience de Condorchem Envitech nous a conduits à utiliser des technologies telles que l’UASB (réacteur anaérobie à flux ascendant et manteau filtrant), le RAFAC ® (réacteur anaérobie à flux ascendant de contact) et le RAC® (réacteur anaérobie de contact), toutes se distinguant par leur grande efficacité, pour produire des effluents cristallins et pour transformer la matière organique en biogaz et en fertilisant organique stabilisé.
