La préservation de notre milieu naturel et de nos ressources en eau conduit, entre autre, à traiter les rejets d'eaux usées urbaines et industrielles.
Le traitement de ces eaux nécessite obligatoirement un étage biologique pour respecter les niveaux de rejet imposés par la législation.
Aérobie et biofiltration
Utiliser les boues activées
Les procédés de traitement biologique les plus utilisés sont les systèmes par boues activées (ou culture libre) dans lesquels les eaux à traiter sont mises en contact avec une biomasse épuratrice présente sous forme de flocs en suspension, intimement mélangés à l'effluent.
Les normes de rejet de plus en plus sévères rendues nécessaires pour la préservation des milieux récepteurs et des ressources en eaux conduisent actuellement à concevoir les stations d'épuration comme des unités de production sur lesquelles il est indispensable de maintenir en permanence qualité, fiabilité et continuité du traitement.
Les procédés par boues activées permettent de répondre à ces nouvelles exigences en terme de performances mais au prix d'un fort surdimensionnement par rapport à ce qui se faisait il y a 20 ans.
Cette technique, bien que simple et efficace dans de nombreuses applications, a également ses limites liées :
- à la concentration maximale en biomasse qui peut être maintenue dans le système,
- au transfert d'oxygène,
- à l'étape de clarification dont la fiabilité dépend de la qualité aléatoire des boues produites (risque potentiel de foisonnement filamenteux), point faible du procédé qui peut être préjudiciable à la qualité constante et à la continuité du traitement.
En conséquence il a été recherché des procédés nouveaux permettant d'éviter à la fois les problèmes potentiels et les surdimensionnements nécessaires en boues activées.
Procédés à biomasse fixée
Au nombre de ces procédés nouveaux, les procédés à biomasse fixée, et principalement les biofiltres, sont parmi les plus intéressants.
On entend par système à cultures fixées un réacteur où la biomasse est fixée sur un matériau solide, à la surface duquel percole l'eau à traiter. Le phénomène de cultures fixées s'observe dans la nature où la biomasse est fixée sur des cailloux, roches ou rochers.
Les systèmes à biomasse fixée possèdent un potentiel épuratoire bien plus important que ceux en biomasse libre. Cela est dû au fait que la sélection des espèces et leur concentration dans le réacteur biologique se fait naturellement par accrochage sur le matériau support. Ce processus permet de sélectionner une biomasse active accrochée en quantité plus importante que celle développée en boues activées, pour un même volume de réacteur.
Cependant, pour que ce potentiel puisse être correctement utilisé, encore faut-il :
- qu'il y ait accrochage possible et en quantité suffisante de la biomasse désirée ; cet aspect est fonction du support,
- qu'il n'y ait pas de facteurs limitants, notamment l'apport en oxygène nécessaire à la biomasse. Il y a lieu notamment qu'il soit correctement transféré en chaque point du support biologique.
Une compétition entre les espèces
Dans une station de traitement d'eau qui n'est pas un fermenteur, même s'il existe un support propice à l'accrochage biologique, il y a toujours compétition entre les espèces fixées sur le support et les espèces libres qui se développent entre les éléments du support.
L'oxygène ne pouvant être apporté qu'à travers la couche liquide, là où se trouvent les espèces libres, il y a lieu de ne pas laisser se concentrer cette population, de manière à ne pas "étouffer" les espèces fixées.
La technologie mise en place, notamment au niveau du dispositif de transfert d'air et du dispositif d'évacuation de la biomasse en excès a, en conséquence, une incidence fondamentale sur les performances des biomasses fixées.
Ce second type de traitement se caractérise par le fait que le réacteur biologique joue, en plus de son rôle traditionnel, un rôle de filtration qui permet de retenir, plus ou moins totalement, les boues en excès, accumulées à l'intérieur même du réacteur (boues biologiques générées plus matières en suspension de l'effluent retenues par filtration).
Il est nécessaire de laver périodiquement ce type de réacteur de façon à éliminer les boues en excès qui s'y accumulent.
Un procédé discontinu
On voit donc que le procédé est discontinu ; plusieurs biofiltres en parallèle seront donc nécessaires afin d'assurer le traitement de l'eau sans interruption ou alors il faudra prévoir une bâche de stockage durant le lavage.
Les biofiltres en traitement d'eaux domestiques sont utilisables dans des procédés anoxiques (dénitrification) ou aérobies (élimination de la pollution carbonée, nitrification). En fonctionnement aérobie, un dispositif de transfert est nécessaire pour apporter l'oxygène nécessaire aux réactions biologiques.
La biofiltration visant à réaliser simultanément, dans le même ouvrage, la dégradation de la pollution par voie biologique et la clarification par filtration de l'effluent traité, elle ne comporte donc pas de clarification finale par décantation.
L'ouvrage se présente comme un filtre garni de matériau de granulométrie suffisamment faible pour obtenir un effet de filtration efficace, le matériau servant simultanément de support à la biomasse fixée. La faible granulométrie du matériau permet d'avoir une importante surface développée par unité de volume et, en conséquence, la possibilité de fixer en grand nombre les micro-organismes actifs.
La taille très faible des espaces entre les grains enrobés de biomasse active fixée permet de retenir, par effet de filtration, les matières en suspension apportées par l'effluent et la biomasse libre générée par le système. La nature du matériau agit sur la fixation des espèces.
Des lavages cycliques
Dans un tel système, les boues produites, retenues dans le matériau, colmatent progressivement le lit. Des lavages du matériau doivent donc être effectués périodiquement.
A l'inverse des procédés conventionnels, cette technique est donc discontinue.
Comme il a été dit précédemment, plusieurs filtres en parallèle permettront d'assurer le traitement de l'eau sans interruption. Le mode de lavage est généralement issu des techniques appliquées en filtration sur sable, adaptées au type de filtre concerné. Les eaux utilisées pour le lavage des filtres sont, la plupart du temps, les eaux traitées du biofiltre.
La remise en service du lit, après un lavage correctement réalisé, se fait généralement de façon quasi instantanée. Il reste, en effet, après lavage, une population bactérienne accrochée suffisante pour obtenir immédiatement une qualité d'eau traitée correspondant au régime établi.
Un lavage correct doit permettre d'évacuer la boue interstitielle retenue, mais ne doit pas avoir d'effet abrasif trop important sur la biomasse accrochée.
