Dans le domaine du traitement des eaux usées, la transformation biologique de l'azote est le processus principal permettant d'éliminer l'azote et le phosphore et de respecter les normes d'émission. Ce processus n'implique pas une seule réaction, mais plutôt la réalisation coordonnée de trois étapes clés : l'ammonification, la nitrification et la dénitrification. Ensemble, ces étapes convertissent progressivement l’azote organique complexe et l’azote inorganique présents dans les eaux usées en azote gazeux inoffensif, réduisant ainsi fondamentalement la charge d’azote dans les masses d’eau.
Introduction
L’azote présent dans les eaux usées existe principalement sous forme d’azote organique (comme les protéines et l’urée) et d’azote ammoniacal. Le rejet direct peut entraîner des problèmes environnementaux tels que l’eutrophisation des masses d’eau. Les méthodes de traitement biologique, avec leurs avantages de haute efficacité et d’économie, sont devenues la technologie dominante pour l’élimination de l’azote des eaux usées. Le principe de base est d’utiliser les activités métaboliques de différents micro-organismes dans des conditions environnementales spécifiques pour transformer progressivement les éléments azotés, pour finalement parvenir à une élimination gazeuse des plans d’eau vers l’atmosphère. Ce qui suit disséquera systématiquement le mécanisme central de ce processus.
I. Ammonification : conversion de l'azote organique en azote ammoniacal
L'ammonification est la première étape de l'élimination de l'azote des eaux usées, faisant référence à la conversion des composés organiques azotés en
Le processus est principalement facilité par les bactéries ammonifiantes. Selon la teneur en oxygène de l'environnement, il peut être classé en deux voies : la transformation aérobie et la transformation anaérobie.
1. Transformation aérobie
Dans des conditions aérobies, des micro-organismes tels que Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus et facultatif Proteus vulgaris participent à la réaction, dégradant principalement l'azote organique par deux mécanismes principaux :
• Désamination oxydative : Sous la catalyse des oxydases, les acides aminés perdent progressivement leurs groupes aminés pour générer des acides cétoniques et de l'ammoniac.
Prenons l'alanine comme exemple :
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanine → Acide iminopropionique → Acide pyruvique + Ammoniaque)
• Hydrolyse de l'ammoniac : sous l'action d'enzymes hydrolytiques, les composés organiques contenant de l'azote- tels que l'urée sont hydrolysés pour produire de l'ammoniac.
Réaction d'hydrolyse de l'urée :
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Les bactéries impliquées dans ce processus comprennent des bactéries aérobies telles que Enterococcus faecalis et Bacillus urea.
2. Conversion anaérobie
Dans les environnements anaérobies ou déficients en oxygène-, les micro-organismes anaérobies et anaérobies facultatifs complètent l'ammonification par trois voies :
• Réduction et désamination :
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Élimination de l'ammoniac à base d'eau :
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Déshydratation et désamination :
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrification : Oxydation de l’azote ammoniacal en azote nitrate
La nitrification est la deuxième réaction principale qui oxyde le NH3−N en NOx−N, qui est complétée de manière synergique par les bactéries nitrites et les bactéries nitrates, et est divisée en deux étapes : la nitritation et la nitrification.
1. Mécanisme de réaction
• Réaction de nitritation (dominée par les bactéries nitrites) :
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Réaction de nitrification (dominée par les nitrobactéries) :
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Formule de réaction globale :
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Caractéristiques clés du processus
• Forte demande en oxygène : Consommation théorique de 4,2 g par prélèvement de 1 g, la réaction de nitrification doit donc être réalisée dans des conditions d'aération suffisantes.
• Faible taux de croissance : les bactéries nitrifiantes ont un rendement cellulaire extrêmement faible et sont plus sujettes à une activité insuffisante pendant les mois froids de l'hiver. Il est donc nécessaire de maintenir une concentration élevée des boues pour garantir l’efficacité du traitement.
• Consommation d'alcalinité : la réaction génère une grande quantité de H+. Théoriquement, 7,54 g d'alcalinité (calculée en CaCO3) sont consommés pour chaque 1 g d'oxydation. Il est nécessaire de maintenir la stabilité du pH du système en ajoutant des agents alcalins.
III. Dénitrification : réduction de l'azote nitrique en azote gazeux
La dénitrification est la dernière étape de l'élimination de l'azote des eaux usées. Il fait référence au processus par lequel les bactéries dénitrifiantes réduisent les NOx−N et d'autres oxydes d'azote en azote gazeux ou en oxydes d'azote gazeux en tant qu'accepteurs d'électrons dans des conditions anaérobies ou déficientes en oxygène - (DO < 0,3 ~ 0,5 mg/L).
1. Mécanisme de réaction
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Réaction de réduction complète (en prenant comme exemple les composés organiques comme donneurs d'électrons) :
NO3−+5[H] (donneur d'électrons) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donneur d'électrons) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Exigences en matière de sources de carbone et caractéristiques microbiennes
• Consommation de source de carbone : Théoriquement, 2,86 g de source de carbone sont nécessaires pour convertir 1 g d'azote nitrique en N2, et 1,71 g de matière organique sont nécessaires pour convertir 1 g d'azote nitrite.
• Diversité des donneurs d'électrons : [H] peut être fourni par des composés organiques, des sulfures, etc., offrant de multiples options de sources de carbone pour l'optimisation des processus.
• Caractéristiques microbiennes : Les bactéries dénitrifiantes sont pour la plupart des bactéries facultatives, qui respirent en utilisant l'O2 comme accepteur terminal d'électrons en présence d'oxygène, et utilisent le NOx−N pour respirer en l'absence d'oxygène. Cette caractéristique constitue le fondement du processus de dénitrification anoxique.
Résumé
La transformation biologique de l'azote dans les eaux usées est un processus en chaîne qui est interconnecté :
L'ammonification décompose les molécules d'azote organique, libérant de l'azote ammoniacal ;
La nitrification implique l'oxydation progressive de l'azote ammoniacal en azote nitrate dans un environnement aérobie ;
La dénitrification réduit l'azote nitrate en azote gazeux dans les environnements anoxiques, permettant ainsi d'éliminer l'azote des plans d'eau vers l'atmosphère.
Le fonctionnement efficace de ce processus repose sur un contrôle précis de paramètres clés tels que la teneur en oxygène, l'alcalinité, la source de carbone et la température, et constitue le support technique de base pour obtenir une élimination stable de l'azote dans les stations d'épuration urbaines modernes et le traitement des eaux usées industrielles.