Le traitement biologique des eaux usées est réalisé par une série de processus de traitement importants qui ont en commun l’utilisation de microorganismes (parmi lesquels les bactéries se distinguent) pour éliminer les composants solubles dans l’eau. Ces processus tirent parti de la capacité des microorganismes à assimiler la matière organique et les nutriments (azote et phosphore) dissous dans les eaux usées pour leur propre croissance. Lorsqu’ils se reproduisent, ils s’agrègent entre eux et forment des flocons macroscopiques avec une masse critique suffisante pour se décantation dans un délai raisonnable.
L’application traditionnelle consiste à éliminer la matière organique biodégradable, tant soluble que colloïdale, ainsi que les composés contenant de l’azote et du phosphore. C’est l’un des traitements les plus courants, non seulement dans le cas des eaux usées urbaines, mais aussi dans une grande partie des eaux industrielles, en raison de sa simplicité et de son faible coût d’exploitation.
Dans la plupart des cas, la matière organique constitue la source d’énergie et de carbone dont les microorganismes ont besoin pour leur croissance. De plus, la présence de nutriments, contenant les éléments essentiels à la croissance, en particulier l’azote et le phosphore, est également nécessaire, et enfin, dans le cas des systèmes aérobiques, la présence d’oxygène dissous dans l’eau. L’oxygène n’est pas indispensable, car les microorganismes sont capables de dégrader la matière organique même dans des conditions anaérobies. Cet aspect sera clé lors du choix du processus biologique le plus approprié.
Dans le métabolisme cellulaire, le donneur final d’électrons joue un rôle fondamental dans les processus d’oxydation de la matière organique. Cet aspect a également une incidence importante sur les possibilités d’application au traitement des eaux usées. Selon quel est ce donneur final d’électrons, on distingue trois cas :
- Systèmes aérobiques : l’oxygène est le donneur final d’électrons préféré par toute cellule. S’il y a de l’oxygène dans le milieu, celui-ci sera le donneur final d’électrons, ce qui entraîne des rendements énergétiques élevés et une importante génération de boues, en raison de la forte croissance des bactéries dans des conditions aérobiques.
- Systèmes anaérobies : dans ce cas, le donneur final d’électrons est la propre matière organique qui agit comme source de carbone. En conséquence de ce métabolisme, la majeure partie du carbone est destinée à la formation de sous-produits de croissance (biogaz, qui est du CO2 et du méthane) tandis que la fraction de carbone utilisée pour la synthèse cellulaire est faible. Pour le traitement, ce fait représente un double avantage : peu de boues sont produites tout en produisant du biogaz, qui peut être valorisé. Il est généralement utilisé pour produire de l’énergie électrique, qui est autoconsommée dans l’installation elle-même.
- Systèmes anoxiques : Ce sont les systèmes dans lesquels le donneur final d’électrons n’est ni l’oxygène ni la matière organique. Dans des conditions anoxiques, le donneur final d’électrons est généralement des nitrates, des sulfates, de l’hydrogène, etc. Lorsque le donneur 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 des eaux usées (dénitrification).
Avantages de chaque système selon le critère
En tenant compte de tous ces aspects, il existe une grande variété de façons d’opérer, en fonction des caractéristiques de l’eau, ainsi que de la charge organique à traiter. Les critères qui aident à sélectionner si un processus aérobie est plus approprié, ou si un processus anaérobie sera plus avantageux, sont la concentration de matière organique à éliminer, si l’élimination de l’azote est nécessaire, 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 ces critères, quel type de processus (aérobie ou anaérobie) est le plus approprié :
D’autre part, la biomasse peut croître librement, en suspension à l’intérieur du bioréacteur, ou bien être fixée à un support (biomasse fixe). Dans le processus conventionnel, elle croît en suspension, tout comme dans le cas des réacteurs séquentiels (SBR) et dans les réacteurs biologiques à membrane (MBR). Dans les réacteurs à disques biodégradables, biofiltres, filtres percolateurs ou à lit mobile (MBBR), la biomasse croît fixée à la surface d’un support en plastique ou en sable. Ce critère, que la biomasse croisse en suspension ou fixée à un support, entraîne une série de conséquences pratiques qu’il convient de prendre en compte lors de la sélection de la technologie la plus appropriée. Dans le tableau suivant, un résumé est présenté :
Ainsi, la sélection du processus biologique le plus approprié ne peut être effectuée qu’après avoir analysé les caractéristiques de l’effluent, le type de processus industriel qui le génère, le degré de purification requis et les besoins globaux du client. Condorchem Envitec dispose d’une vaste expérience dans la conception, la fabrication, l’installation, la mise en service et l’exploitation de stations d’épuration biologiques, tant aérobiques qu’anaérobies, adaptées aux besoins particuliers de ses clients.
Il existe des configurations singulières qui allient les avantages de l’un et de l’autre système. C’est le cas du réacteur BioCarb®, qui est un modèle exclusif breveté par Condorchem Envitech et repose sur le développement d’un réacteur aérobie à lit fixe dont le matériau de remplissage est du charbon lignite granulaire. Le charbon filtre, adsorbe et sert de support pour le biofilm, tout en fournissant aux microorganismes des minéraux et des éléments traces. D’autre part, le processus d’adsorption contribue doublement au processus en lissant les pics de charge de contaminants et en augmentant le temps de résidence des contaminants à l’intérieur du réacteur, ce qui permet la dégradation de composés organiques persistants. Le réacteur BioCarb® s’est avéré particulièrement efficace dans le traitement de contaminants difficiles à biodégrader et colorés. De plus, l’immobilisation de la biomasse à la surface du charbon lignite permet de réaliser en une seule étape un traitement biologique et physico-chimique des eaux usées.
En ce qui concerne les systèmes anaérobies, la vaste expérience de Condorchem Envitech a conduit à l’utilisation de 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 caractérisées par leur efficacité élevée, produisant des effluents cristallins et transformant la matière organique en biogaz et en engrais organique stabilisé.
