Dans le fonctionnement quotidien du traitement des eaux usées, deux termes sont souvent entendus : nitrification et dénitrification. De nombreuses personnes novices dans le domaine du traitement des eaux usées ont tendance à confondre ces deux concepts. Malgré leurs noms similaires, tous deux tournant autour du caractère « 硝 », ils jouent en réalité des rôles complètement différents dans le traitement des eaux usées.
En termes simples, la nitrification est responsable de la conversion de l’azote ammoniacal en nitrate, tandis que la dénitrification est responsable de la conversion du nitrate en azote gazeux. L’un est un processus d’oxydation et l’autre un processus de réduction. Les deux processus s’apparentent à une course de relais et ce n’est que lorsqu’ils sont menés à bien de manière coordonnée que l’azote présent dans les eaux usées peut être véritablement éliminé.
Une fois ce point compris, la logique derrière les différents processus d’élimination de l’azote, tels que l’A/O, l’AAO et le fossé d’oxydation, devient beaucoup plus claire.
I. Nitrification : conversion de l'azote ammoniacal en nitrate
Dans les eaux usées domestiques et dans de nombreuses eaux usées industrielles, l’azote existe principalement sous forme d’azote ammoniacal. Si l’azote ammoniacal est directement rejeté dans les plans d’eau, il peut facilement conduire à l’eutrophisation et exercer également des effets toxiques sur les organismes aquatiques tels que les poissons. Par conséquent, les stations d’épuration des eaux usées doivent d’abord convertir l’azote ammoniacal.
Ce processus de transformation est connu sous le nom de nitrification.
La nitrification est en fait un processus d’oxydation réalisé par des micro-organismes, qui peut être grossièrement divisé en deux étapes :
La première étape est l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite
Étape 2 : Le nitrite est ensuite oxydé en nitrate
L'ensemble du processus nécessite suffisamment d'oxygène, de sorte que la nitrification se produit généralement dans des environnements aérobies, tels que des réservoirs d'aération ou des réservoirs biochimiques MBR.
Les micro-organismes impliqués dans ce processus sont appelés bactéries nitrifiantes. Elles diffèrent des bactéries hétérotrophes ordinaires en ce qu'elles appartiennent à la catégorie autotrophe, tirant principalement leur énergie de substances inorganiques. Leur taux de croissance est relativement lent et ils sont également sensibles aux changements environnementaux.
C’est également la raison pour laquelle de nombreuses stations d’épuration ont tendance à connaître une baisse de leur capacité de nitrification en hiver.
II. Dénitrification : conversion du nitrate en azote gazeux
Bien que la nitrification ait résolu le problème de l’azote ammoniacal, l’azote présent dans l’eau n’a pas encore véritablement disparu ; il s'est simplement transformé d'une forme à une autre. Pour véritablement « éliminer » l'azote des eaux usées, la deuxième étape - dénitrification - doit être complétée.
La dénitrification est un processus de réduction. Dans un environnement anaérobie, les micro-organismes utilisent l’oxygène contenu dans le nitrate, le réduisant progressivement en azote gazeux. Le cheminement de la réaction est à peu près le suivant :
Nitrate → Nitrite → Oxyde nitreux → Oxyde nitreux → Azote
L'azote gazeux (N₂)* finalement généré sera libéré dans l'air sous forme gazeuse, ainsi l'azote présent dans les eaux usées est véritablement éliminé. Les micro-organismes qui complètent ce processus sont appelés bactéries dénitrifiantes. Contrairement aux bactéries nitrifiantes, elles appartiennent aux bactéries hétérotrophes et nécessitent du carbone organique comme source d’énergie.
C'est également la raison pour laquelle de nombreuses stations d'épuration doivent ajouter des sources de carbone lors de l'élimination de l'azote.
III. Plusieurs différences clés entre la nitrification et la dénitrification
Si nous considérons ces deux processus ensemble, nous constaterons qu’ils sont diamétralement opposés à bien des égards.
1. Différentes conditions d’oxygène
La nitrification doit se produire dans un environnement aérobie, nécessitant généralement le maintien des niveaux d'oxygène dissous à environ 2 mg/L.
La dénitrification nécessite un environnement anaérobie avec de l'oxygène dissous maintenu en dessous de 0,5 mg/L. S’il y a trop d’oxygène, les bactéries dénitrifiantes préféreront utiliser l’oxygène plutôt que le nitrate.
En termes simples, la nitrification se développe dans l’oxygène, tandis que la dénitrification est inhibée par l’oxygène.
2. Différents types de micro-organismes
La nitrification est principalement réalisée par des bactéries nitrifiantes, notamment les nitrosomonas et les nitrobacter.
Ces bactéries appartiennent aux bactéries autotrophes, qui se développent lentement et nécessitent un vieillissement des boues plus long.
La dénitrification est réalisée par des bactéries dénitrifiantes, qui appartiennent à la catégorie des bactéries hétérotrophes et présentent un taux de croissance relativement plus rapide.
3. Différentes exigences en matière de sources de carbone
Les bactéries nitrifiantes utilisent principalement des substances inorganiques pour produire de l’énergie et ne dépendent généralement pas de sources de carbone organique.
Les bactéries dénitrifiantes ont besoin de carbone organique comme donneur d'électrons. Par conséquent, lorsque la matière organique disponible dans les eaux usées est insuffisante, il est souvent nécessaire d’ajouter des sources externes de carbone telles que l’acétate de sodium, le méthanol et le glucose.
Dans le fonctionnement de nombreuses stations d’épuration, une source de carbone insuffisante est souvent un facteur important affectant l’efficacité de l’élimination de l’azote.
4. Le lieu de l'événement est différent
Dans les processus courants d’élimination de l’azote, les deux sont généralement disposés dans des zones de réaction différentes.
Par exemple, dans les processus A/O ou AAO :
Réservoir anoxique - Dénitrification Réservoir aérobie - Nitrification
Le nitrate produit par nitrification retourne dans la zone anoxique par recirculation interne, où il est ensuite transformé par des bactéries dénitrifiantes.
5. Des résultats finaux différents
Le résultat de la nitrification est une diminution de l'azote ammoniacal et une augmentation des nitrates.
Le résultat de la dénitrification est : réduction des nitrates et production d’azote gazeux
En d’autres termes, l’azote ne peut quitter le plan d’eau qu’une fois la dénitrification terminée.
IV. c'est en fait une course de relais
D'un point de vue holistique, la nitrification et la dénitrification ne sont pas deux processus indépendants, mais plutôt deux étapes consécutives dans l'élimination biologique de l'azote.
L’ensemble du processus de conversion de l’azote peut être simplement compris comme :
Azote ammoniacal → Azote nitrite → Azote nitrate → Azote nitrite → Azote gazeux
La nitrification est responsable de la conversion de l’azote ammoniacal en nitrate, tandis que la dénitrification est responsable de la réduction du nitrate en azote gazeux.
Les deux sont liés comme une course de relais.
S’il n’y a que de la nitrification et pas de dénitrification, les nitrates présents dans l’eau provoqueront quand même une eutrophisation.
S'il n'y a pas de nitrification, il y aura un manque de « matières premières » pour la dénitrification.
C'est également la raison pour laquelle la plupart des procédés d'élimination de l'azote intègrent à la fois des zones aérobies et anoxiques.
V.Conclusion
Dans le domaine du traitement des eaux usées, de nombreux concepts peuvent paraître similaires, mais la logique sous-jacente est totalement différente.
La nitrification et la dénitrification forment une paire typique.
L’un se produit dans un environnement aérobie, tandis que l’autre se produit dans un environnement anaérobie ;
L’un est responsable de l’oxydation de l’azote ammoniacal et l’autre est responsable de la réduction des nitrates ;
Ce n’est que lorsque les deux sont combinés qu’un processus complet d’élimination biologique de l’azote peut être formé.
Cela étant compris, lorsque l’on s’intéresse aux différents procédés d’élimination de l’azote, tels que l’A/O, l’AAO et le fossé d’oxydation, on constate qu’ils sont tous optimisés et combinés autour de ces deux étapes.
De nombreux processus complexes de traitement des eaux usées créent, en dernière analyse, un « environnement de travail » approprié pour ces micro-organismes.