Dispositifs d'épuration des eaux usées > Les boues activées en aération prolongée

PRINCIPE DE TRAITEMENT

Le procédé par boues activées consiste en une intensification des processus d'autoépuration dans les milieux naturels. En effet, une eau usée dans laquelle on fait barboter de l'air voit se développer rapidement une flore bactérienne au détriment des matières organiques polluantes présentes.

Le principe du procédé consiste donc à provoquer le développement d'un floc bactérien dans un bassin alimenté en eaux usées en brassant suffisamment le milieu pour éviter la décantation des flocs et lui fournir l'oxygène nécessaire à la prolifération des micro-organismes. La séparation de l'effluent épuré et des boues est assurée par un clarificateur en aval du bassin d'aération dans lequel une partie des boues sont recirculées afin d'assurer une concentration permanente.



LA FILIERE DE TRAITEMENT

Les stations d'épuration pour boues activées se caractérisent par leur :

• charge volumique (Cv) : masse de DBO₅ éliminée par jour et par m³ de réacteur,
• charge massique (Cm) : masse de DBO₅ éliminée par jour et par kilogramme de MVS des boues.

La charge volumique mise en oeuvre conditionne alors :

• le temps de séjour des effluents dans les réacteurs,
• le processus épuratoire mis en jeu,
• les performances épuratoires,
• le type et la qualité des boues produites,
• la conception de la filière.

Charge	Cv (kg DBO5/m³/j)	Cm (kg DBO5 /kg MVS/j)	Processus épuratoires	Temps de séjour (h)	Minéralisation des boues
Très forte	> 2	> 1	Biosorption	1,5-2	Très faible
Forte	1,5-2	0,5-1	Dégradation des matières organiques par des bactéries hétérotrophes	3-4	faible
Moyenne	1,2-1,8	0,2-0,5		5-6	moyenne
Faible	0,7-1,2	0,1-0,2	Dégradation des matières organiques + Nitrification	12-15	forte
Aération prolongée	< 0,35	< 0,1		24-48	très forte boues stabilisées

Le procédé par boues activées en aération prolongée permettant d'assurer le niveau de traitement le plus poussé, est de ce fait le plus adapté pour l'assainissement des petites collectivités.

La filière de traitement se compose ainsi des éléments suivants :

• Filière Eau
  • relèvement si nécessaire
  • prétraitements
  • bassin tampon si nécessaire
  • bassin d'aération
  • regard de dégazage
  • clarificateur
  • canal de mesure des eaux traitées avant rejet
• Filière Boues
  • épaississement & stockage

Les prétraitements classiques sont constitués d'un dégrilleur et d'un dessableur-dégraisseur. A l'heure actuelle, se mettent en oeuvre des prétraitements plus compacts de type tamis rotatif permettant d'éliminer de l'effluent brut la plupart des corps solides et pâteux (déchets communs, sables, conglomérats graisseux,…). Ils présentent l'avantage de limiter le nombre de déchets (un déchet unique compacté et ensaché) et donc de simplifier l'exploitation.

La filière de traitement des boues s'avère souvent être le maillon faible de ce type de procédé. Son insuffisance est souvent à l'origine des mauvaises performances de l'ouvrage. La filière à mettre en oeuvre dépend étroitement de la destination finale des boues. Les boues issues d'un traitement par boues activées en aération prolongée étant fortement minéralisées, il n'est pas nécessaire de mettre en oeuvre un traitement de stabilisation. La filière boues mise en oeuvre doit également permettre d'assurer le stockage des boues. Ainsi, elle pourra être constituée soit :

• d'un silo épaisseur assurant le stockage,
• de lits de séchage,
• de lits plantés de roseaux conjuguant les fonctions d'épaississement, de stabilisation et de stockage,
• d'une déshydratation mécanique des boues et stockage.

DIMENSIONNEMENT & CONCEPTION

=> FILIERE EAU
La capacité de relèvement doit correspondre au débit de pointe. Deux pompes assurent à la fois l'alimentation de la station et le secours.

Les prétraitements sont dimensionnées sur la base du débit de pointe.

Pour une station d'épuration de moins de 500EH, un dégrillage manuel peut être envisagé. Il permettra de protéger les ouvrages en aval (bouchage, détérioration), de séparer et d'évacuer les matières volumineuses nuisibles au traitement (papiers plastiques, bois, …). Le dégrillage peut être constitué d'un panier dans le poste de relèvement ou d'une grille inclinée de 60 à 80°, d'entrefer de 40 mm. Un système mécanisé auquel est adjoint un compacteur limite les contraintes d'exploitation et réduit les nuisances et préserve la propreté du poste.

Le dégraisseur-dessableur est un ouvrage combiné souvent cylindro-conique. Il sera préférentiellement aéré. Un ouvrage statique sera équipé d'un dispositif de raclage des flottants en surface et de 2 cloisons siphoïdes. Les bases de dimensionnement de cet ouvrage sont :

• le temps de séjour en pointe de l'ordre de 15 à 20 mn
• la vitesse ascensionnelle en pointe inférieure à 15 m/h
• la puissance d'aération de l'ordre de 20 à 30 W/m³

Si le tamisage remplace les prétraitements classiques, il devra permettre un tamisage très fin sur une grille de maille de 0,75 à 1 mm.

En présence d'un réseau sensible aux apports d'eaux parasites pluviales, il convient de mettre en place un bassin tampon afin de réguler les débits entrants dans le traitement biologique et de ne pas en perturber le fonctionnement.

Le traitement biologique s'effectuera dans le bassin d'aération. Les 2 principaux paramètres limitants pour le traitement biologique sont la charge volumique et la charge massique. Les valeurs préconisées pour assurer une élimination poussée de la pollution carbonée, particulaire et azotée sont :

• charge massique : Cm < 0,1 kg DBO₅/kg MVS/j
• charge volumique : Cv < 0,3 kg DBO₅/m³/j

Les besoins totaux en oxygène doivent être apportés en, au maximum, 14 heures. L'aération peut être assurée soit par des aérateurs de surface (présentant une puissance d'aération minimum de 40 W/m3) soit par insufflation d'air. La profondeur des bassins est alors fonction du type d'aération mise en oeuvre. En effet, il sera privilégié des bassins peu profonds dans le cas d'une aération par turbines de surface afin d'assurer une bonne remise en suspension des boues au fond du bassin ; alors que l'insufflation d'air nécessite, pour un transfert optimal de l'oxygène, une profondeur importante (au moins 3 m et de préférence 4 à 6 m).

Un regard de dégazage doit être aménagé en sortie du bassin d'aération afin de dessaturer en gaz les boues biologiques et de favoriser une meilleure décantation. Sa sortie doit être protégée par une cloison siphoïde chargée de retenir les flottants. En outre, une fosse attenante au regard de dégazage permettra de récupérer les flottants.

Le clarificateur est un ouvrage cylindro-conique ou cylindrique dimensionné sur la base d'une vitesse ascensionnelle en pointe inférieure à 0,6 m/h. La hauteur droite est de 3 m à la goulotte. Il doit être équipé d'une cloison siphoïde, d'un racleur de fond et de surface et d'une lame déversante crénelée.

Les boues décantées et stockées au fond du clarificateur doivent être recirculées en tête du bassin d'aération à partir d'un puits à boues. Le taux de recirculation des boues doit pouvoir atteindre 100% du débit de pointe autorisé sur les ouvrages. Le puits à boues doit être, en outre, équipé d'un pompage permettant l'extraction des boues vers l'épaississement et le stockage.

Les eaux traitées seront évacuées vers le milieu récepteur via un canal de mesures installé après le clarificateur.

Il est parfois proposé des microstations ou des bassins combinés. Ces procédés présentent souvent de gros dysfonctionnements en raison :

• du manque d'accessibilité et de fiabilité de l'appareillage pour les microstations,
• de la mauvaise conception hydraulique dans le cas des bassins combinés.

=> FILIERE BOUES
Les boues issues du traitement par boues activées en aération prolongée présentent une siccité en sortie du clarificateur de 1,5 à 2 %. La filière Boues peut être constituée soit :

• d'un silo épaississeur de stockage
• de lits de séchage
• de lits plantés de ros
• d'une déshydratation mécanique

Le silo épaississeur sera dimensionné de façon à pouvoir assurer le stockage des boues durant la période où l'épandage n'est pas autorisé. Selon les cas, cette période peut s'étendre de 6 à 11 mois. Le silo est un ouvrage en génie civil généralement cylindrique. Il sera équipé d'une herse pour des silos supérieurs à 100 m³.

Les lits de séchage sont dimensionnés sur la base de 1 m² pour 3 à 5 EH. Ils sont constitués de graviers recouverts d'une couche de sable et drainés, sur lesquels une trentaine de centimètre de boues liquides peuvent être épandus. Sous l'effet de l'évaporation et de l'infiltration, la boue s'épaissie et de vient pelletable. les eaux d'égouttage sont renvoyées en tête de station.

Les lits plantés de roseaux sont dimensionnés sur la base de 1 m² pour 5 EH. Le massif filtrant constitué de couches successives de sables de granulométries différentes repose sur un plancher aéré qui permet pendant la phase d'égouttage et d'épaississement de la boue, la collecte de l'eau intersticielle renvoyée en tête de station. Les filtres sont alimentés par des boues directement soutirées du bassin d'aération et non du clarificateur comme pour les procédés précédents. La déshydratation mécanique peut être assurée par un filtre à bande, une centrifugeuse ou un filtre à plateaux. Ils seront dimensionnés pour un fonctionnement 2 à 4 jours par semaine, à raison de 6 à 10h par jour.

PERFORMANCES EPURATOIRES

Les performances épuratoires généralement obtenues pour ce type de procédé, en aération prolongée, sont les suivantes :

Paramètre	Concentration	Rendement épuratoire
DBO5	< 15 mg O2/L	> 95%
DCO	50 à 80 mg O2/L	> 95%
MES	20 mg/L	95%
NK	< 5 mg N/L	> 95%
N-NH4+	< 5 mg N/L	> 95%
NGL	< 10 mgN/L	> 90%
PT	15 mgP/L	20%
GTCF	103 à 105 germes par 100 mL	- 2 à 4 ULog

TRAITEMENTS COMPLEMENTAIRES

Deux types de techniques sont utilisées pour le traitement du phosphore :

• physico-chimique,
• biologique.

Le traitement physico-chimique du phosphore par précipitation peut s'opérer de plusieurs manières :

• en pré-précipitation par injection de chaux en tête de station sur les effluents bruts,
• en co-précipitation par injection de réactif (sulfate de fer, chlorure ferrique,…) dans le bassin d'aération,
• en post-précipitation en aval du clarificateur dans une installation spécifique complétée d'une filtration sur sable.

Les traitements entraînent des surproductions de boues :

• 100 % en pré-précipitation et en post-précipitation,
• 20 à 60 % en co-précipitation.

Les rendements épuratoires sont de 80 à 90 %.

Le surcoût d'investissement d'un traitement physico-chimique est de l'ordre de 100 F/EH. Le fonctionnement revient à 5 à 15 F/EH/an.

La déphosphatation biologique repose sur l'accumulation du phosphore à l'intérieur de bactéries qui sont évacuées avec les boues en excès. Ce procédé ne nécessite pas de réactif et ne produit pas de boues supplémentaires. La filière est alors composée d'un bassin anaérobie supplémentaire induisant un coût d'investissement très élevé (génie civil). Cependant, la faible quantité de boues produites n'engendre pas de surcoût d'exploitation.

=> ABATTEMENT DE LA POLLUTION MICROBIOLOGIQUE
La désinfection des eaux traitées peut être mise en oeuvre en traitement tertiaire. Pour des stations d'une capacité inférieure à 500 EH, 2 techniques peuvent être envisagées :

• le lagunage de finition,
• la filtration sur sable.

Le traitement de finition par lagunage permet des abattements de 2 à 4 ULog sans effet secondaire de produits toxiques. Le coût de fonctionnement est de 3,5 % du coût de celui de la station d'épuration biologique.

La filtration sur sable (bassin d'infiltration-percolation) assure une désinfection efficace de l'ordre de 3 à 5 ULog. La maintenance de ce type d'installation consiste en un désherbage et une scarification de la plage d'infiltration.