ANNEXE B « DÉTERMINATION DES CAPACITÉS ÉPURATOIRES D’UN MÉDIA UTILISÉ POUR UN PROCÉDÉ À CULTURE FIXÉE IMMERGÉE »

Table des matières

P. Lessard1*, N. Tremblay2, B. Lavallée1 et G. Aubry1, 2

1 Département de génie civil, pavillon Pouliot, Université Laval, Québec, Qc, Canada, G1K 7P4

2 Les systèmes Bioflo inc. (une division de H2O Innovation), 420, boul. Charest Est, Suite 240, Québec, Qc, Canada, G1K 8M4

Cet article a paru dans VECTEUR environnement, Volume 36, numéro 3, mai 2003, pages 65 à 74.

Les procédés à culture fixée sont très utilisés pour traiter les effluents de petites municipalités. Un média, le BIOTEX®, a été étudié pour déterminer ses capacités épuratoires. Des essais en laboratoire à différentes charges organiques et hydrauliques ont été effectués sur une unité pilote. Les résultats démontrent que l’efficacité de traitement du textile atteint en moyenne 94 % pour une charge organique variant de 47 à 300 g DBO5/m2·d, et pour une charge hydraulique variant de 0,5 à 1,0 m3/m2·d, tout en respectant des normes de rejet de 20 mg/L en DBO5. L’enlèvement d’azote ammoniacal par nitrification atteint 85 % sous des charges de 200 g DBO5/m2·d et 0,5 m3/m2·d. Toutefois la performance du système de traitement semble dépendante de l’efficacité de la décantation.

Mots clés  : Biofilm, textile, enlèvement du carbone, eaux usées.

Fixed film processes are often used to treat the wastewater from small communities. A biofilm medium, BIOTEX®, was examined to assess its treatment capacity. Laboratory tests at various organic and hydraulic loadings were carried out using a pilot unit. Results show the mean efficiency of this media reaches 94% under an organic load varying between 47 and  300 g BOD5/m2·d, and under a hydraulic load varying between 0,5 and 1,0 m3/m2·d, while maintaining discharge standards of 20 mg/L for BOD5. Removal of ammonia by nitrification was 85% under loadings of 200 g BOD5/m2·d and 0,5 m3/m2·d. However, the performance of the treatment plant seems dependent on the sedimentation efficiency.

Key words  : Biofilm, media, carbon removal, wastewater.

L’utilisation des procédés à milieu fixe dans le traitement des eaux usées municipales est plus que centenaire, avec l’introduction à la fin du 19ème siècle du lit bactérien. Depuis ce temps, plusieurs procédés sont apparus. Cependant jusqu’aux années 1980, les lits bactériens et les disques biologiques étaient les deux procédés utilisés sur une base régulière. Les biofiltres sont par la suite apparus sur une base industrielle dans les années 1980, alors que les années 1990 voyaient apparaître les procédés hybrides. Ces derniers consistent en des systèmes de support pour biomasse immergés dans un réacteur par boues activées; ces systèmes sont principalement utilisés pour augmenter la capacité d’une station existante. Les principaux avantages et inconvénients, ainsi que les critères de conception, des procédés à milieu fixe usuels peuvent être trouvés dans Lessard et LeBihan (2003).

Les procédés à milieu fixe, particulièrement les lits bactériens et les disques biologiques, sont fréquemment proposés et utilisés (Boutin et al ., 1998) pour le traitement des effluents de petites municipalités. Or, dans ces deux cas, la charge organique applicable est limitée par le transfert d’oxygène et/ou une surface de contact faible. Pour contrer ces inconvénients, il devient intéressant d’utiliser un média présentant une plus grande surface d’adhésion pour les bactéries et d’aérer le procédé de façon mécanique et continue. Hamoda et Abd-El-Bary (1987) ont proposé un tel système, baptisé procédé à milieu fixe aéré et submergé (‘aerated submerged fixed film process’), utilisant des plaques comme support bactérien.

C’est dans cet esprit que le procédé de traitement BIO-FOSSEMD a été développé. Celui-ci consiste en un bioréacteur aéré en continu, sans recirculation, dans lequel sont immergées des grilles de textile BIOTEX®. Comme pour un disque biologique, la dégradation s’effectue principalement, voire presque exclusivement, par la biomasse fixée, et non par la biomasse en suspension dans la masse liquide. Le BIOTEX® est une fourrure synthétique à poils longs greffés sur un tissu jersey et a été conçu spécifiquement pour fixer la biomasse épuratoire sur sa matrice synthétique. Les poils sont faits en fils de polypropylène et ont une densité inférieure à celle de l’eau (densité = 0,9). Lorsque immergé, le BIOTEX® présente une structure tridimensionnelle lâche qui lui confère une très grande surface de contact permettant de supporter des quantités élevées de biomasse.

Aucun travail n’ayant été publié sur la capacité de support de ce type de textile, une expérimentation a été mise sur pied pour étudier l’influence de la charge carbonée et hydraulique sur la performance de traitement du textile. L’objet de cet article est donc de présenter les résultats obtenus lors de l’étude de la performance épuratoire du BIOTEX® en fonction des charges organique et hydraulique.

Les essais ont été effectués dans un réacteur de 20 litres contenant deux grilles de textile BIOTEX® disposées en série et totalisant une surface de 0,048 m2, donnant une densité de 2,4 m2 de textile par m3 de réacteur. Il s’agit en fait de la superficie du coupon de tissu jersey et non de la superficie effective de fixation, laquelle est difficile à déterminer compte tenu du type de média. Ce réacteur était précédé d’un bassin tampon aéré avec un temps de rétention de deux (2) heures et était séparé au milieu afin de simuler un écoulement piston (Figure 22). Le bassin tampon a été ajouté, car l’implantation sur le terrain du procédé prévoit un tel bassin, lequel sert principalement à la volatilisation du H2S et de divers acides gras pouvant être contenus dans les eaux usées provenant d’effluents de fosses septiques. L’aération ainsi que le mélange étaient assurés par des tuyaux (12 mm de diamètre) flexibles poreux placés au fond du réacteur. La teneur en oxygène dissous était maintenue supérieure à 6 mg/L et la température autour de 20 ºC. Il n’y avait pas d’unité de décantation secondaire. Le pH n’était pas régulé, mais s’est maintenu en tout temps autour de 7,5.

L’unité pilote a été opérée durant plus de huit (8) mois. Les dix (10) premières semaines ont été requises pour la mise en route du pilote et à la colonisation des textiles. Par la suite, l’expérimentation a été divisée en deux parties. Au cours de la première partie, la charge organique applicable à charge hydraulique constante a été évaluée. Au cours de la seconde, l’influence de la charge hydraulique sur la performance a été évaluée. Au total, six (6) combinaisons de charges ont été appliquées et sont présentées au Tableau 9. L’affluent a été amendé au besoin à l’aide du supplément organique donné au Tableau 10.

1 Concentration à la sortie de la zone tampon aérée (ZTA).

2 Pourcentage estimé de la DBO5 à l’affluent provenant du supplément organique.

3 TRH = Temps de rétention hydraulique théorique.

* : Bovril® 2,5 mL/L = 1000 mg DCO/L ; ** : Ethanol 2 mL/L = 2850 mg DCO/L

La Figure 23 montre l’évolution de la DCO totale au long de l’expérimentation à l’affluent (sortie zone tampon aérée) et à la sortie du bioréacteur, ainsi que celle de la DCO filtrée à l’effluent. Les valeurs moyennes de ces DCO sont, respectivement, 502 mg/L, 174 mg/L et 73 mg/L. L’enlèvement de la DCO est excellent pour l’ensemble des six (6) combinaisons de charges à en juger par la DCO filtrée (enlèvement moyen de 85%, variant de 75 à 91%). La Figure 24 montre quant à elle l’évolution des MeS et des MeS non décantables. Ces dernières peuvent représenter les MeS à la sortie d’un décanteur.

La DCO totale à l’effluent est parfois élevée, particulièrement lorsque la charge organique appliquée est forte durant les périodes 3 et 6 (Figure 23). Ces hausses sont fortement corrélées avec la concentration en MeS à la sortie du bioréacteur (Figure 25). Le rapport MVeS/MeS étant de l’ordre de 0,95 pour l’effluent, ceci confère un caractère fortement organique à celles-ci. Une teneur de 8 % de cendres est caractéristique des cellules actives (Bailey et Ollis, 1986); les MeS de l'effluent sont donc fort probablement composées presque uniquement de cellules actives. Par hypothèse, une croissance élevée de la biomasse à la surface du biofilm pourrait expliquer ces hausses. En effet, le substrat étant plus disponible en surface du biofilm, la croissance y serait plus importante. Les détachements de biomasse, plus nombreux, seraient alors constitués principalement des cellules actives localisées à la surface du biofilm. Considérant que cette biomasse décante très bien, la concentration en MeS non décantables étant toujours inférieure à 20 mg/L (Figure 24), il est fort probable, vu les conditions d’opération du réacteur, qu’il s’agisse principalement de détachements du biofilm. La fraction de MeS non décantables pourrait, quant à elle, être constituée de bactéries libres en suspension.

Figure 23. Comportement de la DCO durant les six (6) périodes expérimentales (1 à 6)

Figure 24. Comportement des MeS durant les six (6) périodes expérimentales (1 à 6)

Figure 25. Corrélation entre les MeS et la DCO totale à l'effluent

D’autre part, la biomasse attachée a été évaluée à 1760 g MeS/m2 et à 1350 g MVeS/m2 de textile (poids secs). Le ratio MVeS/MeS est de 0,77, ce qui est relativement élevé. On pourrait expliquer cette valeur par la faible concentration caractéristique de solides inertes dans l'effluent des fosses septiques. Par ailleurs, Hamoda et Al-Ghusain (1998) ont trouvé pour un procédé similaire utilisant des plaques une quantité d’environ 25 g MVeS/m2 pour une charge organique appliquée de 120 g DBO/m2·d. Par comparaison, pour des charges organiques comparables, on constate donc la grande capacité support du textile.

La production de boues est un élément important à prendre en compte pour les procédés dédiés aux petites municipalités. Le coefficient de rendement observé (Yobs) a donc été évalué en divisant la masse de MeS mesurées à la sortie, ce qui correspond à la biomasse produite, par la masse de DCO enlevée; une valeur moyenne de 0,21 g MeS produites/g DCO enlevée a été trouvée. Toutefois, ce coefficient varie de façon significative, entre 0,13 et 0,58 g MeS/g DCO et semble augmenter avec la charge organique (Figure 26). Selon l'analyse de la variance des données, Yobs ne semble pas indépendant de la charge organique appliquée (P<0,0002) pour un intervalle de confiance de 95 % et les 56 valeurs mesurées. Albertson et al . (2000) rapportent des valeurs de Yobs variant entre 0,15 et 4 g MeS/g DBO5, avec une valeur moyenne de 0,7, pour différents systèmes de traitement par biomasse fixée traitant des effluents primaires, tandis que Grady et al . (1999) proposent une valeur de 0,35 g MeS/g DCO. Ces valeurs sont du même ordre de grandeur que les valeurs mesurées pour le textile BIOTEX®.

Figure 26. Corrélation entre Yobs et la charge organique

Les observations microscopiques révèlent que la micro-faune était présente et active de façon similaire à ce qui est habituellement retrouvé dans les cultures fixées (Lessard et LeBihan, 2003). La répartition de la micro-faune observée est présentée à la Figure 27.

Figure 27. Répartition de la microfaune développée sur le BIOTEX®

La Figure 28 montre que la DBO5 totale comme la DCO totale à l’effluent augmente avec la charge organique superficielle. Toutefois, la DBO5 filtrée demeure stable peu importe la charge organique, contrairement à la DCO filtrée qui augmente avec la charge superficielle. La DCO filtrée résiduelle serait constituée essentiellement de la fraction non biodégradable, puisque la DCO à l'effluent semble fortement dépendante de la DCO à l’affluent (Figure 29). Les MeS à l’effluent augmentent avec la charge organique appliquée (Figure 30). Lorsque les charges organiques appliquées augmentent, la performance épuratoire du système semble limitée par la décantation. Tel que discuté précédemment, la croissance plus rapide associée aux charges élevées favoriserait probablement, dans une faible mesure, la croissance de bactéries libres en suspension, difficiles à décanter.

Figure 28. DBO5 et DCO à l’effluent en fonction de la charge organique appliquée

a) DBO5 (totale et filtrée) à l’effluent en fonction de la charge organique appliquée

Figure 28. DBO5 et DCO à l’effluent en fonction de la charge organique appliquée

b) DCO (totale et filtrée) à l’effluent en fonction de la charge organique appliquée

Figure 29. Corrélation entre la DCO filtrée à l'affluent et à l'effluent du réacteur

La corrélation observée entre les MeS à l'effluent et la charge organique appliquée sur le système semble démontrer que les détachements de biomasse correspondraient à la production de biomasse et que la masse de biomasse fixée sur le textile serait à l'équilibre.

Le textile serait donc en mesure de rencontrer les normes de rejet de 20 mg/L en DBO5 en vigueur pour toutes les charges appliquées, mais la performance du système de traitement demeurerait dépendante de l’efficacité de la décantation. Les charges appliquées sont de loin supérieures aux valeurs usuelles de conception pour un disque biologique, qui dans ce cas se limitent à des valeurs variant entre 15 et 60 g DBO5/m2·d et à 0,04 à 0,15 m3/m2·d pour la charge hydraulique (Edeline, 1993). Pour un procédé similaire basé sur l’utilisation de plaques fixes et submergées, Hamoda et Al-Ghussain (1998) ont obtenu des performances épuratoires supérieures à 90 % d’enlèvement de carbone pour des charges organiques et hydrauliques appliquées variant respectivement de 5 à 117 g DBO5/m2·d et de 0,04 à 0,68 m3/m2·d. Le textile BIOTEX® possède donc une capacité de colonisation et une capacité épuratoire supérieures aux autres supports comparables.

Figure 30. MeS à l'effluent en fonction de la charge organique appliquée

a) MeS à l’effluent en fonction de la charge organique (DBO5) appliquée toutes charges hydrauliques confondues

Figure 30. MeS à l'effluent en fonction de la charge organique appliquée

b) MeS à l'effluent en fonction de la charge organique (DCO) appliquée toutes charges hydrauliques confondues

En se basant sur la quantité de MeS fixées sur le textile, la charge organique appliquée a varié autour de 0,13 kg DBO5/kg MVeS/d, et la charge volumétrique autour de 0,5 kg DBO5/m3/d. Par ailleurs, en se basant sur le ratio MeS (ou MVeS) fixées par volume de bassin, par similitude on peut évaluer une concentration équivalente pour une liqueur mixte (boues activées) d'environ 4200 mg MeS/L et 3200 mg MVeS/L. Ces taux de charge placent le système BIO-FOSSEMD dans la même gamme d'utilisation que les fossés d'oxydation, systèmes à aération prolongée et les réacteurs biologiques séquentiels (Tchobanoglous et Burton, 1991).

L’influence de la charge a été évaluée pour toutes les charges appliquées sur le textile. L’analyse a été effectuée en considérant l’influence simultanée de deux variables indépendantes, soit la charge volumique ( x ) et la charge organique ( y ). La relation des variables dépendantes ( f ) avec les variables indépendantes a été assumée linéaire et est décrite par l’équation suivante :

Les valeurs des différents paramètres de même que leur écart type et la probabilité de valeur nulle, sont données au Tableau 11. On constate qu’aucune des variables suivantes; DCO filtrée, MES et MES non décantables, n’est indépendante de la charge appliquée, que celle-ci soit organique ou volumique. On peut expliquer l’influence inversement proportionnelle de la charge volumique par des effets de dilution. L’influence proportionnelle de la charge organique sur la DCO filtrée a déjà été démontrée à la Figure 8 (Corrélation entre la DCO filtrée à l’affluent et l’effluent du réacteur), et par la définition même de Yobs pour les MES totales ou non décantables. Toutefois, dans la gamme testée, on constate qu’il est fort probable que la DBO5 filtrée à l’effluent soit indépendante des charges appliquées sur le textile. L’efficacité du textile s’établit à environ 94 % (S.D. = ± 5) sous toutes les charges testées. Ces observations tendent à démontrer encore une fois, que la performance du système semble davantage dépendante de la performance de la décantation.

*Selon l’équation : f = y0 + ax + by x = charge volumique

y = charge organique

Un suivi sur les composés azotés a été effectué lors de certaines expériences. Le Tableau 12 montre, pour chaque combinaison de charge testée, l’enlèvement de l’azote ammoniacal et la production des ions nitrite et nitrate. Ces résultats, illustrés à la Figure 31, montrent que la nitrification élimine 85 % de l’azote ammoniacal pour une charge organique d’environ 200 g DBO5/m2·d, et une charge hydraulique de 0,5 m3/m2·d. Cependant, la charge hydraulique semble affecter plus sérieusement la performance de nitrification, ce qu’avaient d’ailleurs démontré Hamoda et al. (1996) pour un réacteur similaire. Une accumulation importante d’ions nitrite à des charges hydrauliques supérieures à 0,5 m3/m2·d a aussi été observée. Ces tendances sont toutefois difficiles à expliquer. D'autres essais devraient être effectués pour confirmer ou infirmer la valeur statistique de ces tendances. Des essais plus poussés sont présentement en cours pour étudier la cinétique de la nitrification et dénitrification sur le textile.

a) Pour des charges organiques mesurées en g BOD5/m2·d

b) Pour des charges organiques mesurées en g BOD5/m2·d

Figure 31. Corrélation entre la charge hydraulique et les composés azotés

Le textile BIOTEX® est un média offrant des capacités intéressantes de fixation des micro-organismes. Pour des charges appliquées variant de 47 à 300 g DBO5/m2·d et une charge hydraulique variant de 0,5 à 1,0 m3/m2·d, le textile offre une efficacité d’environ 94 %. Les charges appliquées sur le réacteur placent le système dans la même gamme d'utilisation que les procédés par boues activées.

Le ratio MVeS/MeS élevé semble démontrer une forte croissance de la biomasse à la surface du textile. Le coefficient de rendement observé (Yobs) semble dépendant de la charge organique appliquée sur le textile et se situe aux environs de 0,2 g MeS/g DCO. La présence de biomasse difficile à décanter dans l'effluent semble toutefois limiter la performance du système de traitement. D’ailleurs, l’analyse statistique des données semble appuyer la validité de cette analyse.

Sous certaines charges, la nitrification a éliminé jusqu’à de 85 % de l’azote ammoniacal. Cependant, des charges hydrauliques élevées semblent limiter la capacité de nitrification. Des essais sont en cours afin d'évaluer la cinétique de nitrification et de dénitrification du système. Éventuellement, il serait intéressant d’effectuer une étude sur l’effet de la température et des essais pilotes incluant une étape de décantation.

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