Résumé du colloque
Les standards prescrits par les différentes communautés (Européennes, Américaines, Canadiennes, etc.) sont de plus en plus restrictifs (moins de 1 mg P/L) en ce qui concerne les eaux usées traitées qui sont déchargées dans l’environnement naturel. Les coûts élevés reliés à l’enlèvement chimique du phosphore (qui sont principalement causés par la production accrue de boues et l’utilisation de réactifs) ont fourni une raison importante pour intensifier les recherches sur l’amélioration des processus d’enlèvement biologique du phosphore dans les usines de traitement à boues activées (Carucci, 1994). La nitrification et la déphosphatation sont des procédés répandus pour l’enlèvement biologique de l’azote et du phosphore des eaux usées. La nitrification se produit dans un environnement en aérobie et la dénitrification est réalisée par les bactéries hétérotrophes aérobie facultative dans un milieu en anoxie. Les micro-organismes dénitrifiants dans les boues activées sont une partie de la biomasse hétérotrophe qui utilise normalement l’oxygène comme électron récepteur pour l’oxydation de la matière organique. Cependant, si les concentrations en oxygène dissous deviennent très faibles, ils peuvent utiliser les nitrates comme électron accepteur (Bernardes et Klapwijk, 1996). Ce qui entraîne une réduction des coûts d'aération, car la nitrification augmente les coûts reliés à l'aération de 50% dans les systèmes aérobies (Randall, Barnard et Stensel, 1992). L’enlèvement biologique du P est à la base effectué par la modification du processus des boues activées. Une combinaison de milieux en anaérobie et en aérobie est implanter dans le système de traitement, pour avoir une métabolisation du phosphore en excès par la biomasse. Les organismes hétérotrophes responsables de l'emmagasinage du P sont appelés les organismes accumulant le P (Bernardes et Klapwijk, 1996). Ces organismes sont très affectés par la compétition avec les organismes dénitrifiants pour les composés de carbone facilement biodégradable, tels l’acétate et le propionate. Les processus d’oxydation du carbone, de nitrification, de dénitrification et d'enlèvement du P peuvent être accomplis dans un système de réacteur biologique séquentiel (RBS) à boues activées. Pour atteindre ces objectifs, des conditions successives d’anaérobie, d’anoxie et d’aérobie doivent être planifiées (Bernardes et Klapwijk, 1996). Des résultats de van Niel (1993) ont montré que les systèmes RBS peuvent contenir une population microbienne variant de 37 à 85% d’organisme accumulant le P par rapport à la population totale. Le modèle d’enlèvement du phosphore selon Ekama et al.(1984) est le suivant : dans la zone en anaérobie, les bactéries déphosphatantes (principalement Acinetobacter, Fuhs et Chen, 1975) sont capables d’hydrolyser les polyphosphates inorganiques emmagasinés dans leur cellule, afin de fournir de l’énergie pour la métabolisation des composés organiques simples solubles (ex. acides gras volatils à courtes chaînes) et les convertir en produits d’emmagasinement interne (ex. poly-b-hydroxybutyrate). Dans la zone aérobie, les produits emmagasinés sont métabolisés pour fournir du carbone et de l’énergie (Bernardes et Klapwijk, 1996). Dans tous les systèmes de traitement des eaux usées, la remobilisation globale du P est contrôlée par le rendement de production de boues (mg de solides en suspension par mg de COD), la teneur en P des boues et le taux de remobilisation du COD (Meganck et Faup, 1988). Étant donné que le rendement des boues dépend principalement de l’âge des boues, ce paramètre peut avoir une influence importante sur l’enlèvement du P. Plusieurs hypothèses ont été émises sur l’âge idéal des boues: Randall, Barnard et Stensel (1992) ont émis que le temps de résidence moyen des cellules peut varier de trois à soixante jours pour un bon enlèvement du P, mais que le procédé n’est pas stable à moins de trois jours de résidence des cellules et que pour obtenir un effluent clair et déphosphaté et un ayatème stable, un âge des boues de plus de six jours est nécessaire. Par ailleurs, si les températures sont plus froide l'âge de la biomasse mais devra être augmenté pour permettre la nitrification; Okada et al. (1992) ont eux déterminé qu’un âge de plus de 20 jours est nécessaire pour favoriser un rendement efficace de l’EBP; Comeau (1990) a aussi suggéré un temps de rétention des boues de 20 jours, car les bactéries nitrifiantes ont un faible taux de croissance en eau froide et s’avère nécessaire pour une nitrification efficace de l’ammoniaque; Reddy et al. (1987) ont émis que la différence dans l’enlèvement du P dans un système Bardenpho entre 21 et 26 jours de temps de résidence des boues est significative, car le pourcentage de P dans les boues augmente avec l’âge des boues. Enfin, les usines qui opèrent la nitrification complète ont besoin d’âge des boues entre 20 et 30 jours selon le Ministère de l’Environnement et de la Faune. En résumé, la littérature est pauvre en données sur la relation entre l’âge des boues nécessaire et les différents paramètres influençant l’enlèvement efficace du P. Par ailleurs, les différents auteurs qui ont étudié ce sujet se contredisent fortement. À la lumière des informations disponibles on suppose qu’un âge des boues d’environ 20 jours peut être efficace, mais est-ce trop long : risque d’intoxication du système et/ou de foisonnement des boues ou est-ce qu’un âge plus long augmenterait le rendement du système. Noter qu’un âge des boues plus long diminue la quantité quotidienne de boues à purger, donc cela diminue les coûts de disposition des boues. Nous avons donc testé l'effet de la variation d'âge de boues entre 5 et 30 jours (intervalle de 5 jours) sur la nitrification et la déphosphatation. En tenant compte des paramètres de configuration du système : volume utile/volume des boues, débit de l’affluent, conditions en anaérobie ou en aérobie, quantité d’oxygène dissous, vitesse de mélange etc. Le RBS utilisé pour les expériences en laboratoire est opéré sur un cycle de 8 heures, à raison de trois cycles par jour. Le volume total du RSB est de 11,3 L, le volume utilisé est de 6,6 L et le volume des boues décantées est de 2,6 L (figure 1). Le temps de résidence hydraulique du système est de 13,2 heures. Une eau usée synthétique (EUS) alimente le réacteur pendant la période d'acclimatation des bactéries au nouveau substrat et à la croissance des bactéries déphosphatantes. L’utilisation d’une EUS au lieu d’une eau primaire est la fiabilité dans l’approvisionnement et dans la composition. Le réacteur est inoculé avec des boues activées provenant de la station d'épuration Haute Bécancour traitant des eaux usées municipales (Black Lake, Québec, Canada). Le traitement est effectué en système RBS aérobie et la bioamsse n'est pas acclimatée à la déphosphatation. Les différentes étapes du traitement en RBS au laboratoire sont : remplissage anoxie (50 min), réaction anaérobie (1h40), réaction aérobie (4h45), décantation (1h), soutirage de l’effluent (9 min) et repos du système (6 min); début d’un nouveau cycle. Une fois le RBS mis en marche, nous avons débuté le suivi et l'optimisation de l'acclimation des bactéries à un nouveau procédé et à un substrat différent. Les principaux paramètres mesurés sont l'enlèvement du P et de de l'azote Kjeldhal totale, auxquels s'ajoutent l'enlèvement de la demande chimique en oxygène (DCO), du carbone organique total (COT) et des quantités de matière en suspension (MES) et de matière volatiles en suspension (MVS) résiduelles dans l'effluent. Pour chaque âge de boues nous avons échantillonné les cycles de fonctionnement du RBS. Des échantillons de LM sont prélevés, ainsi que l'EUS, l'effluent et les boues décantées, cela environ toutes les heures pendant un cycle de traitement. Les analyses suivantes sont effectuées dans le surnageant de la LM: DCO, COT, TKN, NH4, NO2+NO3, Ptotal, Ortho-P, pH et ToC.
Contexte
Hôte :
Université Laval
Colloque
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