Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Les systèmes à boue granulaire aérobie représentent une alternative prometteuse aux systèmes conventionnels à boues activées pour le traitement biologique des eaux usées municipales. Une trentaine de STEPs utilisant des boues granulaires aérobies sont aujourd’hui exploitées dans le monde, suivies de deux STEPs qui seront construites prochainement en Suisse (STEP Kloten/Opfikon, canton Zürich et STEP Sarneraatal, canton Obwald). Cependant, malgré un nombre croissant d'applications à grande échelle, notre expérience pratique de cette technologie reste plutôt limitée. Au cours des dernières années, l'EPFL et l'Eawag ont évalué conjointement les mécanismes, performances et limites des systèmes à boues granulaires aérobies. Des expériences ont été réalisées avec différents types d'eaux usées (effluents primaires, eaux usées brutes ou eaux usées synthétiques) à différentes échelles (de quelques litres jusqu'à 8000 l) sur différentes saisons. Nos recherches démontrent que la composition des eaux usées (en termes de substrats organiques) affecte les propriétés physiques des boues granulaires (taille, présence de flocs) et par conséquent l'indice de Mohlman (indice de décantation des boues). En effet, les boues granulaires aérobies développées pendant le traitement des eaux usées municipales sont principalement composées petites granules (250 µm < diamètre (d) < 500 µm) et contiennent une fraction de flocs (d < 250 µm). Les boues granulaires aérobies appliquées au traitement des eaux usées municipales ressemblent donc à des systèmes hybrides dans lesquels les flocs coexistent avec le biofilm (ici des granules) et sont associés à des fonctions microbiennes distinctes (e.g., la dégradation des matières organiques particulaires dans les flocs). Dans l'ensemble, les performances du système en termes d'élimination du carbone organique, des nutriments azotés et phosphorés ainsi que des solides ont systématiquement dépassé les exigences de la législation suisse. Cependant, l'obtention d'une élimination élevée de l'azote nécessite une optimisation de l'aération (par ex.: une aération alternée) afin de favoriser la dénitrification pendant la phase aérobie.
Des réacteurs biologiques séquentiels (SBR, Sequencing Batch Reactors) sont généralement utilisés pour le traitement des eaux usées avec des boues granulaires aérobies. Ces SBR sont exploités en mode «fill-draw», l’alimentation du SBR étant réalisée de manière anaérobie au fond du réacteur, tandis que l’eau usée traitée au cycle précédent est déchargé par le haut. La séquence de ces SBR comprend plusieurs phases:
1. Phase d’alimentation anaérobie par écoulement piston (type «plug-flow»)
2. Phase d’aération
3. SĂ©dimentation
4. Elimination sélective des boues en excès.
Au cours de la période d’alimentation anaérobie (1re phase), une partie de la demande chimique en oxygène (DCO) est stockée par certains micro-organismes sous forme de polymères intracellulaires qui vont relarger des ortho-phosphates dans l’eau. Le choix par l’opérateur du débit d’alimentation détermine de débit d’écoulement ascendant dans le réacteur et donc contrôle l’élimination de matières en suspension avec l’effluent. La phase d’aération (2e phase) commence après la phase anaérobie pour permettre l’oxydation de la DCO, l’incorporation des ortho-phosphates dans la biomasse, la nitrification et la dénitrification. Une fois ces activités microbiennes achevées, la phase de décantation est initialisée. L’élimination sélective est effectuée dans la partie supérieure du SBR: Seule la biomasse qui sédimente plus lentement qu’une vitesse de sédimentation prédéfinie est éliminée. Les opérateurs peuvent ainsi éliminer plus ou moins de boues en adaptant le temps de sédimentation.
Lors du traitement d’eaux usées municipales faiblement chargées, les boues granulaires aérobies contiennent en règle générale une fraction non négligeable de flocs (20–30%). Les systèmes à boues granulaires aérobies peuvent donc être considérés comme des systèmes hybrides où les flocs et les granules coexistent et sont associés à des fonctions microbiennes distinctes. Nos résultats indiquent que des processus spécifiques ont lieu préférentiellement au sein des flocs. Les flocs, par exemple, ont une capacité à «capturer» la DCO particulaire plus importante que les boues granulaires aérobies. Cette DCO particulaire peut être hydrolysée et fermentée par des organismes hétérotrophes présents dans les flocs. Nous pensons donc que les flocs sont bénéfiques pour les performances globales du processus car ils permettent la rétention de la DCO particulaire.
Dans un avenir proche, la STEP du futur aura un bilan énergétique positif et sera une source de produits à valeur ajoutée. De plus, les émissions de gaz à effet-de-serre (p. ex.: N2O) seront maitrisées. Ces exigences doivent être prises en compte lors de la sélection d’une technologie pour la construction d’une nouvelle STEP ou pour la modernisation d’une STEP existante. Pour anticiper ces nouveaux défis, des recherches sont donc en cours à l’Eawag et l’EPFL sur:
– la granulation au sein de systèmes continus;
– les émissions de N2O au sein de systèmes à boues granulaires aérobie;
– la récupération de produits à valeurs ajoutées (tels que les biopolymères) à partir de granules.
Ces futurs sujets de recherche devraient permettre une meilleure évaluation de la technologie des boues granulaires en vue de leur éventuelle intégration à la STEP du futur.
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