Comprendre les boues activées (II) – Comment maintenir les micro-organismes « reproducteurs » !

Préface : Le document précédent traitait de l'origine et de la structure de la communauté microbienne des boues activées. Ce document se concentre sur « comment maintenir la reproduction des micro-organismes ». Nous savons tous que lorsque l’environnement est propice à la reproduction, les organismes (plantes, animaux et micro-organismes) entrent naturellement dans un état reproducteur ; lorsque l’environnement se détériore, les organismes cessent de se reproduire. Si nous utilisons le « désir reproductif » humain comme analogie, les jeunes d’aujourd’hui sont confrontés à trois défis majeurs : l’éducation, les soins de santé et le logement. Ces trois aspects ont un impact significatif sur leur volonté d’avoir des enfants. Bien sûr, les micro-organismes n’ont pas autant d’exigences, ni de voitures ou de maisons. Tant que l’environnement aquatique répond aux exigences en matière de température, d’oxygène dissous, de pH et de nutriments, ils peuvent croître rapidement !

Les micro-organismes ont leur propre courbe de croissance et leur processus de croissance change en fonction de la disponibilité des nutriments. Dans un environnement défini, non affecté par des facteurs externes, la courbe de croissance des micro-organismes est conforme au schéma ci-dessous. Le processus de croissance comprend quatre étapes : l’adaptation (étape d’ajustement), l’étape de croissance logarithmique, l’étape de décélération de la croissance et la respiration endogène. Lorsque les micro-organismes pénètrent dans un nouvel environnement, il existe une période d’adaptation pendant laquelle leur nombre reste relativement stable.

Courbe de croissance des boues (c'est-à-dire courbe de croissance microbienne)

La concentration en micro-organismes a une valeur initiale, qui représente la quantité de boues ajoutée lors du démarrage initial de la cuve de traitement biologique. Au fil du temps, la concentration des boues augmente progressivement. Généralement, la concentration des boues dans un bassin de traitement biologique aérobie peut être maintenue entre 3 000 et 5 000 mg/L. La concentration des boues dépend de la concentration en DBO de l'affluent ; plus la concentration en DBO est élevée, plus la concentration de boues pouvant être maintenue est élevée.

En fonctionnement réel du bassin de traitement biologique, la concentration des boues est maintenue entre la phase de décélération de croissance et la phase de respiration endogène. On constate que la concentration des boues varie en fonction du mode de fonctionnement du bassin de traitement biologique.

Dans l'aération ordinaire, également connue sous le nom d'aération à flux piston, les polluants diminuent progressivement au cours du processus de propulsion et la croissance des boues est contrôlée pendant la phase de croissance de décélération. Certains se demanderont peut-être comment cela est-il contrôlé ? Ceci est réalisé grâce à des mesures de recirculation et d’élimination des boues !

Un mélange complet signifie que toutes les parties du bassin de traitement biologique fonctionnent dans les mêmes conditions (ex. concentration en polluants, pH, oxygène dissous, etc.). Les procédés de traitement biologique fonctionnant de manière intermittente (tels que le procédé SBR mentionné précédemment) peuvent généralement y parvenir, et l'état des boues est contrôlé pendant la phase de décélération de la croissance.

L'aération prolongée (SRT) utilise un taux de chargement volumétrique très faible dans la conception, ce qui entraîne une concentration de boues relativement faible dans le bassin de traitement biologique. Ce processus fonctionne dans la phase de respiration endogène de la courbe de croissance, nécessitant un faible taux de charge organique et un long temps d'aération, généralement 20 à 30 jours pour le SRT et 24 heures pour le HRT. Ce procédé n'utilise généralement pas de bassin de décantation primaire.

Courbe de concentration en oxygène dissous

Sans supplémentation externe en oxygène dissous, l'oxygène dissous dans l'eau diminue progressivement comme le montre la figure. Bien entendu, l'oxygène dissous doit être complété dans le bassin de traitement biologique pour maintenir une valeur relativement constante.

Courbe de concentration des polluants

La DBO peut, dans une certaine mesure, exprimer la concentration de polluants dans l'eau (comme mentionné précédemment, il est préférable d'utiliser les valeurs de DCO dans la conception du volume du réservoir). Au fil du temps, la concentration de polluants diminue jusqu'à atteindre un niveau rejetable.

À une température appropriée, avec suffisamment d'oxygène et de nutriments dissous et en l'absence de substances inhibitrices, le facteur déterminant contrôlant la croissance des boues activées est le rapport F/M entre la quantité de nourriture (matière organique dans les eaux usées, également appelée substrat) et la quantité de micro-organismes (boues activées), qui est également influencé par des facteurs tels que le taux de dégradation du substrat organique, le taux d'utilisation de l'oxygène et les propriétés de floculation et d'adsorption des boues activées.

Étape d'adaptation (étape d'ajustement) : Également appelée étape d'ajustement, il s'agit de l'étape initiale de la culture des boues activées. Les micro-organismes ne prolifèrent pas, mais des changements qualitatifs commencent à se produire. Cette étape correspond à la partie horizontale initiale de la courbe de croissance du diagramme et est généralement de courte durée. Dans les dernières étapes de la phase d'adaptation, le système enzymatique microbien s'est progressivement adapté au nouvel environnement, le développement individuel a atteint un certain niveau, les cellules commencent à se diviser et les micro-organismes commencent à se reproduire.

Stade de croissance logarithmique : le taux de croissance des boues activées augmente, le rapport F/M est relativement important, le substrat organique est abondant et l'activité des boues activées est élevée. Les micro-organismes absorbent simultanément le substrat organique au taux le plus élevé et synthétisent les cellules au taux le plus élevé, réalisant ainsi leur prolifération. À ce stade, les boues activées ont une grande capacité à éliminer la matière organique et la croissance des boues n’est pas limitée par les conditions nutritives mais uniquement par la concentration microbienne. Cependant, les boues ont de mauvaises propriétés de floculation, sont difficiles à décanter et ont une mauvaise efficacité de traitement.

Stade de croissance ralenti : le taux de croissance des boues activées diminue, le rapport F/M continue de diminuer et le taux de croissance est limité par les nutriments organiques. Il s’agit de l’étape opératoire typique du procédé à boues activées. À ce stade, la matière organique présente dans les eaux usées peut être en grande partie éliminée et les boues présentent de bonnes propriétés de floculation et de décantation.

Stade du métabolisme endogène : les nutriments sont largement épuisés. Incapables d'obtenir suffisamment de nutriments, les boues activées commencent à utiliser leur stockage interne, c'est-à-dire qu'elles sont en phase d'auto-oxydation. A ce stade, les boues ont un degré élevé d'inorganisation et de bonnes propriétés de décantation, mais une mauvaise floculation, et les boues diminuent progressivement. Cependant, comme les résidus de la respiration endogène sont pour la plupart difficiles-à dégrader-les parois cellulaires et le cytoplasme, les boues activées ne peuvent pas disparaître complètement.

De nombreux facteurs peuvent affecter la croissance microbienne, notamment les nutriments, la température, le pH, l’oxygène dissous et les substances toxiques. Bien entendu, différents types de micro-organismes ont des plages de tolérance différentes à ces facteurs. Les types courants de micro-organismes dans les boues activées comprennent les bactéries aérobies (une large catégorie, englobant de nombreuses sous-catégories telles que les bactéries nitrifiantes), les bactéries hydrolytiques, les bactéries fermentantes, les bactéries hydrogène, les bactéries acide acétique, les méthanogènes, les bactéries sulfato-réductrices et les protozoaires anaérobies. Par conséquent, tant que ces facteurs restent dans les limites normales, une croissance microbienne rapide peut être obtenue.

Nutriments
Au cours de leurs activités vitales, les micro-organismes doivent continuellement absorber les nutriments essentiels du plan d’eau environnant, notamment : les sources de carbone, les sources d’azote, les sels inorganiques et certains facteurs de croissance. Les eaux usées à traiter doivent contenir des quantités suffisantes de ces substances.

Le carbone est un composant structurel important des cellules microbiennes. Les micro-organismes impliqués dans le traitement des boues activées ont un besoin en source de carbone relativement élevé, généralement pas inférieur à 100 mg/L (calculé en DBO5).

L'azote est un élément important dans la composition des protéines et des acides nucléiques des cellules microbiennes. Les sources d'azote peuvent provenir de composés azotés inorganiques tels que N2, NH3 et NO3, ainsi que de composés contenant de l'azote organique - tels que les protéines et les acides aminés.

Le phosphore est un élément essentiel pour la synthèse des nucléoprotéines, de la lécithine et d'autres composés du phosphore, jouant un rôle crucial dans le métabolisme microbien et la transformation des matériaux. La coenzyme I, la coenzyme II et l'adénosine monophosphate (ATP) contiennent toutes du phosphore. Les micro-organismes obtiennent principalement du phosphore à partir de composés inorganiques du phosphore. Des sources de phosphore insuffisantes affecteront l’activité enzymatique, impactant ainsi les fonctions physiologiques des micro-organismes.

Généralement, le rapport des trois principaux nutriments (carbone, azote et phosphore) est BOD:N:P=100:5:1. De plus, les oligo-éléments tels que le soufre, le sodium, le potassium, le calcium, le magnésium et le fer jouent également un rôle important dans le processus de croissance des micro-organismes.

Oxygène dissous

Les espèces microbiennes impliquées dans le traitement des eaux usées sont divisées en espèces aérobies et anaérobies, et les réservoirs d'exploitation comprennent des réservoirs aérobies, des réservoirs anoxiques, des réservoirs d'hydrolyse et des réservoirs anaérobies. D'après l'expérience opérationnelle, la concentration d'oxygène dissous dans le réservoir aérobie doit être maintenue entre 2 et 4 mg/L. Dans les cuves d'hydrolyse et d'anoxie, qui sont des environnements anaérobies facultatifs, une certaine concentration d'oxygène dissous est admissible, généralement comprise entre 0,2 et 0,5 mg/L. Le réservoir anaérobie est un environnement strictement anaérobie ; pour assurer les processus d'hydrolyse et de fermentation, la présence d'oxygène dissous n'est pas autorisée.

L'oxygène dissous est crucial pour le fonctionnement des stations d'épuration des eaux usées. Si l'oxygène dissous dans le réservoir aérobie est trop faible, la croissance des bactéries nitrifiantes et autres bactéries aérobies sera inhibée, tandis que les bactéries filamenteuses proliféreront rapidement, entraînant un gonflement des boues.

Valeur du pH : Les activités physiologiques des micro-organismes sont étroitement liées au pH de l’environnement. Les micro-organismes ne peuvent exercer leurs activités physiologiques normales que dans des conditions de pH appropriées. La plage de pH optimale pour les micro-organismes impliqués dans le traitement biologique des eaux usées se situe généralement entre 6,5 et 8,5. Différents groupes bactériens ont des plages de tolérance différentes ; les bactéries acidifiantes hydrolytiques ont une plage de pH comprise entre 5,5 et 7,5, tandis que les bactéries aérobies ont une plage de pH comprise entre 6,5 et 8,5.

Température
La température est cruciale pour la croissance microbienne. La plupart des micro-organismes impliqués dans le traitement des boues activées sont thermophiles, avec une plage de température optimale de 10 à 45 degrés. Pour assurer un bon fonctionnement, la température de l'eau dans la cuve de traitement biologique est généralement maintenue entre 15 et 35 degrés ; la croissance microbienne ralentit en dessous de 5 degrés. De plus, les bactéries anaérobies ont une tolérance à la température beaucoup plus élevée que les bactéries aérobies, c'est pourquoi la plupart des réservoirs anaérobies sont équipés de dispositifs d'isolation et de chauffage.

Substances toxiques
Les « substances toxiques » font référence à certaines substances inorganiques et organiques qui inhibent les activités physiologiques des micro-organismes. Il s'agit principalement des ions de métaux lourds (tels que le zinc, le cuivre, le nickel, le plomb, le chrome, etc.) et de certains composés non métalliques (tels que les phénols, les aldéhydes, les cyanures, les sulfures, etc.). Les effets toxiques des substances toxiques sur les micro-organismes sont quantitatifs ; la toxicité et l'inhibition ne deviennent apparentes que lorsque la substance toxique atteint une certaine concentration dans l'environnement. Tant que la concentration de diverses substances toxiques dans les eaux usées reste inférieure à ce niveau, les fonctions physiologiques des micro-organismes ne sont pas affectées.

L'élimination microbienne et la dégradation des polluants reposent principalement sur deux processus : l'adsorption et le métabolisme (assimilation et dissimilation).

Processus d'adsorption : peu de temps après que les eaux usées entrent en contact et se mélangent avec les boues activées, les polluants organiques présents dans l'eau présentent un taux d'élimination élevé. Ce phénomène initial d'élimination à grande vitesse-est le résultat d'une combinaison d'adsorption physique et biologique. Au cours de ce processus, le substrat organique dans la liqueur mélangée diminue rapidement. En effet, les boues activées ont une grande surface et sont enrichies d'un grand nombre de micro-organismes à leur surface, recouvertes d'une couche visqueuse riche en polysaccharides-. Lorsque les substrats organiques en suspension et colloïdaux présents dans les eaux usées entrent en contact avec les flocs de boues activées, ils sont rapidement coagulés et adsorbés, un phénomène connu sous le nom d'« adsorption initiale ».

Le processus d’adsorption initial se déroule très rapidement et s’achève généralement en 30 minutes. Le taux d'élimination par adsorption de la DBO des eaux usées peut atteindre 70 %, et pour les eaux usées contenant une grande quantité de matières organiques en suspension et colloïdales, la DBO peut diminuer de 80 à 90 %. Le taux d'adsorption initial dépend principalement de l'activité des micro-organismes et du degré de diffusion hydraulique et de la dynamique hydraulique au sein du réacteur. Le premier détermine l’efficacité d’adsorption et de floculation des micro-organismes des boues activées, tandis que le second détermine le degré de contact entre les flocs de boues activées et le substrat organique.

Processus métabolique : Les polluants organiques adsorbés à la surface des cellules microbiennes des boues activées sont métabolisés. La matière organique dissoute et à petites molécules - imprègne directement la paroi cellulaire dans la cellule sous l'action d'enzymes perméabilisantes, où elle subit un métabolisme. La matière organique colloïdale et à grosses molécules-en suspension, comme l'amidon et les protéines, est d'abord hydrolysée en petites molécules dissoutes par des enzymes extracellulaires-hydrolases-avant d'entrer dans la cellule. Une fois à l’intérieur de la cellule, les polluants organiques sont progressivement oxydés et décomposés en produits inorganiques stables, tels que le CO2 et le H2O, sous la catalyse de diverses enzymes intracellulaires, libérant ainsi de l’énergie pour la synthèse cellulaire. Au cours de ce processus, la matière organique est transformée en substances inorganiques simples et stables grâce à des réactions biochimiques, permettant ainsi d'éliminer les polluants.