Biologie du filtre compact à zéolite

Méthode d’analyse

La biocénose est étudiée à partir d’échantillons de biomasse prélevée sur les grains de zéolite et préparée selon la procédure exposée précédemment (1).

Propriétés de la zéolite chabazite

• La zéolite chabazite est une roche tendre ayant des propriétés d’échangeur d’ions NH₄⁺.
• Le grain de zéolite a des macro et micro-porosités très importantes qui réalisent en surface une zone hydratée qui est le siège d'une colonisation par le biofilm bactérien et par une microfaune adaptée à ce biotope : les Thécamibes. La zone hydratée des grains constitue une réserve d'eau équivalente à un réacteur qui impose à l'eau usée un temps de séjour important et qui rend compte de l’efficacité de ce type de filtre.
• Une fois saturée en NH₄⁺, la zéolite conserve ces ions fixés.
• Le NH₄⁺ non fixé est nitrifié par les biofilms nitrifiants.
• Le nitrate formé pénètre et se disperse dans la zone hydratée de la zéolite mais n'est pas retenu par échange d’ions.

La conception du filtre à zéolites

Le filtre compact à zéolite est conçu pour une utilisation optimale de la surface filtrante. Les dispositifs conçus dans ce but ont un rôle dans la formation des biomasses et par conséquent sur la faune qui les colonise.

• Tuyaux d’alimentation rapprochés pour limiter les surfaces de zéolite non irriguées.

• Tuyaux d’alimentation alimentés sont maillés.
• Les orifices de distribution de l'eau sont disposés sur les côtés des tuyaux de distribution qui restent en charge même à l’arrêt de la distribution.
• Protection des orifices de distribution contre le bouchage par des graviers au moyen d’une gouttière renversée.
• Distribution latérale de l'eau, sur la surface de la zéolite, au moyen de deux géogrilles situées sous le tuyau d’alimentation.
• Une couche de zéolite à petite granulométrie a pour rôle de créer une légère perte de charge qui permet une distribution horizontale de l'eau, un étalement.

Le filtre étudié fait suite à une fosse toutes eaux sans préfiltre ni auget basculant de chasse. Il traite les eaux usées d’un pavillon habité régulièrement par deux personnes mais recevant aux vacances les eaux de six personnes.

Flore et faune du filtre = Biocénose

Les différents biotopes mentionnés par des chiffres dans le schéma ci-avant sont examinés du point de vue de la faune qu’ils hébergent.

Biofilm formé sur les géogrilles (3 du schéma) qui servent à la distribution de l'eau sur la zéolite.

On distingue lors de l’ouverture d’un filtre à zéolites des biomasses, sur les premiers matériaux rencontrés par l'eau et qui sont les parois du tuyau d’alimentation et les deux géogrilles. Ces biomasses et leurs biocénoses varient dans leur aspect et composition biologique avec les installations en fonction de la charge de leurs eaux issues de la fosse toutes eaux que de leur fréquence d’alimentation.

Cas d’une eau normalement chargée en DBO, issue de fosse toutes eaux

Le biofilm est composé de bactéries hétérotrophes produisant un gel plus ou moins épais d’exopolymère. Ce biofilm est absolument normal. Il provient de la conversion de la DBO, de l'eau usée d’alimentation en présence de l’oxygène de l'air. Il est colonisé par de nombreux vers de terre du genre Eisenia (stercophage, c’est le ver des fumiers), des Oligochètes limicoles du genre Enchytraeus, des Collemboles, des larves de mouches des genres Psychoda et des Acariens, mangeurs de larves et de Nématodes. La microfaune est représentée par des Ciliés et des Flagellés aérobiés. L’effectif et la taille des vers et de la macrofaune varient au cours des saisons. Il est plus stable pour les méso et microfaune. Un équilibre s’établit entre production de biomasse bactérienne et biomasse des vers en sorte qu’il n’y a pas d’accumulation de biofilm colmatant. On cherche à connaître le fonctionnement de la fosse en recherchant dans cette biomasse les fibres de cellulose entraînées et provenant principalement du papier hygiénique et lequel est normalement et idéalement décanté dans la fosse. En cas de surcharge de la fosse ou de remplissage excessif une partie des suspensions est entraînée sur le filtre.

Zéolites à gros grains

Les grains de zéolite grosse (4 du schéma) ont 0,5 cm en moyenne de diamètre. Leur hauteur est de 35 cm. La biomasse des zéolites est particulière en ce sens qu'elle est profondément implantée dans la porosité du matériau. Cette porosité crée une zone hydratée par rétention d’eau qui abrite un biofilm et une microfaune composés des Thécamibes en très grand nombre avec deux espèces majoritaires, Trinema et Chlamydophrys. C’est cette masse d'eau retenue qui en fait augmente le temps de séjour de l'eau d’alimentation dans le filtre et améliore ainsi l’épuration. Les espèces Thécamibes secondaires mais significatives sont Euglypha et Difflugia. Des soies de vers Eisenia (soies pointues) et d'Oligochètes limicoles (soies fourchues) se rencontrent dans cette zone du filtre et démontrent la présence de ces vers. À leur mort, seules les soies subsistent. Toutefois la distribution aléatoire des soies et non groupées suggère une migration de la soie plutôt que la conservation in situ de l’animal mort. En effet, on retrouverait alors les soies regroupées en faisceaux comme dans l'animal vivant. La migration des soies se fait vers le bas, mais on peut aussi penser que le triturage, brassage par les vers terricoles explique cette distribution aléatoire des soies. En été, lors de la prolifération des vers terricoles (Eisenia), ils se déplacent sur toute la hauteur du filtre. En hiver, par contre, ils sont visibles seulement au niveau des géogrilles, donc en surface.

Interface zéolite gros grains et zéolite grains fins

Dans les filtres à zéolite surchargés en DBO, et étant en service depuis longtemps on peut observer une couche noire au niveau de l'interface grosses zéolites et zéolites fines. À cet endroit, la perte de charge à l’écoulement de l'eau augmente du fait de la taille des grains. Le flux d’eau de la chasse s’infiltre rapidement dans le réseau hydraté des gros grains de zéolite.

et à leur surface mais trouve un frein au niveau de l'interface, provoquant une accumulation passagère de l'eau à cet endroit qui peut créer une zone temporairement plus ou moins anoxie. Les effets chimiques en sont :

• * Réduction de SO₂ et production de H₂S matérialisé au point de vue biologique par la présence de bactéries filamenteuses Beggiatoa et Thiothrix ;
• * Dénitrification des nitrates ;
• * Production de biofilm dénitrifiant ;

La dénitrification dans cette zone est avantageuse au point de vue de la qualité des rejets tant que la zéolite qui se trouve au-dessous de la zone interphase noire est aérobie. Elle reçoit en effet de l’oxygène du réseau de drainage du fond, volontairement et soigneusement ventilé par aérateurs statiques.

Zéolites à grains fins

La couche (5 du schéma) de ces zéolites de taille moyenne des grains est de 0,2 cm et de 20 cm. Elle se trouve immédiatement sous les zéolites à gros grains. Elle reçoit normalement une eau épurée en traversant la couche de zéolite à gros grains. Elle a un rôle d’affinage et ultime répartiteur horizontal de l'eau. La biocénose est la même que la zone à gros grain mais moins concentrée en effectif de Thécamibes car il y a moins de biofilm du fait de l’absence de DBO₅. Cette zone est en contact avec l'air circulant dans les drains du fond du filtre. Elle est aérobie.

Le rôle des vers terricoles

• * Ils ingèrent la matière organique qui résulte de la conversion de la DBO₅ en biofilm bactérien.
• * Ils triturent, broient, mélangent la matière organique avec des fragments minéraux de zéolite au cours du processus digestif. Le ver est une Meule Molle. On sait que les vers terricoles ingèrent par jour l’équivalent de leur poids humide. On comprend qu’une biomasse est forcément recyclée dans des temps de l’ordre de la semaine ou du mois en fonction de l’effectif des vers. Ils ont un rôle de vidangeur de biofilm.
• * Ils excrètent des crottes cylindriques moulées contenant de la matière organique appauvrie en éléments nutritifs. Elles contiennent notamment des fragments de fibres de papier hygiénique qui ont pu traverser la fosse et le préfiltre et arriver à sa surface.
• * Les crottes sont plus sèches que le biofilm ingéré. Le ver a donc rejeté de l’eau, probablement dans le mucus qu'il sécrète à la surface de son corps. Les crottes contiennent l’exopolymère du biofilm qui est toujours difficile à dégrader et qui constitue un gel. On reconnaît sa présence désorganisée en petits paquets dans les crottes désagrégées.
• * Après émission, les crottes sont exploitées par d’autres espèces métazoaires plus petites, qui les divisent et poussent plus loin la dégradation des fibres organiques et des autres constituants.
• * Les crottes contiennent des enzymes de la digestion secrétés par le tube digestif des vers, enzymes qui continuent leurs effets lytiques après émission et réalisent un nouveau biotope qui appelle une nouvelle population bactérienne spécialisée dans les nouveaux substrats nutritifs.
• * Les vers terricoles et limicoles sont les prédateurs des biofilms bactériens en surface des filtres compacts à zéolite. L'effectif des vers varie selon les saisons et la quantité de biofilm disponible. Leur distribution également varie à l'intérieur du filtre selon les saisons. Ce sont des auxiliaires précieux de l’épuration biologique du procédé filtre à zéolites parce qu’ils consomment le biofilm gélatineux bactérien en surface et ainsi contrôlent les risques de colmatage.

Le rôle des Collemboles

• * Petit organisme entre 0,5 et 2 mm bien connus dans les lits bactériens et les sols irrigués à l'eau usée (champs d’épandage). Ils sont vus comme des petits points blancs et passent souvent inaperçus. Ils sont parfois très nombreux et forment alors des taches blanches les faisant ressembler à des moisissures. Il existe des genres sauteurs qui vivent de préférence en surface de la zéolite et des genres non sauteurs dispersés en profondeur. Les deux groupes de Collemboles sont détritivores ; ils dévorent les petits fragments de matière organique laissés dans les crottes des vers mais aussi la biomasse bactérienne formant gel. Ils restituent des excréments dont la matière organique est ainsi plus dégradée. Ce sont des organismes non mouillables vivant au contact des films d’eau mais aussi au contact de l’air. Ils sont lucifuges et prolifèrent lors de températures douces. Leur rôle est de contribuer à réduire la taille des suspensions organiques. Ils retravaillent en particulier les crottes des vers Eisenia contribuant ainsi à la réduction de la couche colmatante des filtres à sable ou à zéolite. On sait que les premiers épurateurs anglais au début du XXᵉ siècle qui exploitaient des lits bactériens ont considéré les Collemboles comme les agents effectifs du décolmatage et ont fait le commerce de sacs de Collemboles pour cet usage. N’y aurait-il pas une part de réalité à revisiter ?

Le rôle des vers limicoles

• * Les Oligochètes limicoles du genre Enchytraeus pour les plus gros et Nais et genres apparentés pour les plus petits tels Aeolosoma, vivent dans la zone mouillée en permanence de la zéolite. Ils ingèrent du biofilm bactérien et des fragments de crotte

d’Eisenia. Ils rejettent des petits cylindres d’excréments qui se recollent au biofilm. On reconnaît dans ces excréments dispersés des carapaces de Thécamibes, preuve que l’Oligochète a ingéré des biofilms bactériens. Leur nombre est supérieur à celui des Eisenia mais leur taille est beaucoup plus petite en sorte que leur action est moins sensible que celle des Eisenia. Cependant leurs mouvements incessants désorganisent le biofilm contribuant ainsi à son oxygénation.

Le rôle des Nématodes

• • Les Nématodes explorent l'ensemble du biofilm et plus particulièrement les zones profondes microaérophiles et les déjections des deux groupes de vers précédents. Ce sont des bioindicateurs de biofilms épais microaérophiles.
• • Leurs mouvements incessants désorganisent le biofilm et en ce sens peuvent être utiles à une biodégradation plus poussée. Leur présence signe un habitat pouvant contenir des zones anoxiques. Leurs œufs sont la proie d’Acariens. Plusieurs genres sont présents dans les biofilms des filtres, le genre le plus fréquent et donc significatif pour la vie du filtre est le mangeur de biomasse : Rhabditis genre ubiquiste aux pièces buccales suceuses de biomasse à consistance de gel, faciles à reconnaître, grâce à leurs deux baguettes et l’œsophage à bulbe comportant une valve.

Le rôle des larves de mouches Psychoda

• • En surface du filtre lorsque le biofilm est épais, des mouches Psychoda se développent et leurs larves sont nombreuses au printemps et en été. En hiver, elles disparaissent presque totalement. Le biofilm peut être anaérobie en profondeur ; la larve est équipée de siphon caudal lui permettant de respirer par la queue quand sa tête est dans le biofilm.
• • Les larves des mouches Psychoda ingèrent le biofilm bactérien et participent ainsi à sa résorption. Elles abandonnent à leur éclosion une cuticule ferme mais peu biodégradable. La mouche étant petite, lucifuge, grise, souvent immobile, vol court, lent, elle passe souvent inaperçue.

Le rôle des Acariens

• • Les Acariens sont des petits animaux entre 0,5 et 1 mm possédant des pièces buccales broyeuses, perceuses ou déchireuses selon les genres. Ils sont soit totalement aquatiques immergés dans l'eau, soit hors eau. Ils sont prédateurs des œufs et des larves de la mésofaune des filtres à sable ou à zéolite. Leur habitat est la surface du biofilm aérobie riche en Nématodes ou en larves de mouches. Leur rôle dans l’épuration des eaux est indirect : c’est celui des prédateurs dans les écosystèmes, à savoir celui de réguler les naissances de la population majoritaire qui est leur proie. La régulation consiste à écrêter les pointes et les creux démographiques. Par conséquent, dans le cas des biofilms, il s'agit de régulariser la résorption du biofilm bactérien pratiquée par la mésofaune (Nématodes) et macrofaune (Collemboles, larves de Psychoda, larves d’Eisenia, etc.).

Faune des zéolites

C'est la même faune que celle des matériaux filtrants granulaires tels que sables, pouzzolane, pierre ponce, etc., parce que c’est la même écologie. Toutefois dans les zéolites la microfaune est numériquement plus importante à cause de la zone hydratée de la zéolite et du biofilm bactérien qu’elle contient.

Thécamibes

• • Au microscope électronique à balayage la photo n° 9 représente une Thécamibe grosse non majoritaire du genre Difflugia. Noter le classement des suspensions minérales sur sa carapace.
• • Les photos n° 10, 10a, 10b représentent une carapace de Chlamydophrys, le genre dominant dans les filtres à zéolite et d’ailleurs à sable.

Rôle des Thécamibes

• Les Thécamibes sont des Protozoaires pourvus d'une carapace aux formes et ornements caractéristiques pour chaque espèce. Elles sont pourvues de pseudopodes, prolongements du protoplasme en fins fils appelés filopodes qui s'insinuent dans les biomasses qu’elles colonisent. Les filopodes explorent les profondeurs du biofilm et les micro- et macropores de la zéolite. Les Thécamibes que l’on rencontre dans les filtres zéolites ou les filtres à sable d’ailleurs, sont organotrophes, n’ingèrent pas de proie vivante mais reçoivent les molécules nutritives par diffusion sur le filopode. Ainsi s’explique la relation Thécamibe et biofilm profond, anoxie ou anaérobie et donc générateur de nutriments issus de fermentation, d’acides gras volatils par exemple. Mais il faut bien remarquer que les Thécamibes sont des organismes aérobies, bioindicateurs d’aérobiose, leur corps est dans un biotope aérobie quand leurs pseudopodes peuvent très bien se trouver dans un biotope anaérobie.

Interprétation des Thécamibes

• Chaque espèce occupe un habitat préférentiel caractérisé par ses propriétés chimiques. Ainsi Difflugia qui accumule sur sa carapace des grains de sable ou autres minéraux de taille de 10 µ environ, se développe bien en présence de ces matériaux.

Dans les filtres à sable ou à zéolite, les Thécamibes se multiplient tant que les conditions en surface du grain de zéolite sont aérobies. Elles cessent de se multiplier en conditions anaérobies. Dans un filtre à zéolite (ou à sable) l'effectif compté des Thécamibes, en fait, des carapaces vivantes ou mortes, est un effectif cumulé de carapaces depuis le début du fonctionnement du filtre. Les Thécamibes sont contemporaines du biofilm composé d'exopolymères peu biodégradable lequel est profondément implanté dans la zone hydratée de la zéolite.

Une étude au MEB, qui met en évidence les reliefs, montre très bien les couches successives de formation du biofilm avec les carapaces de Thécamibes mortes qui restent incluses dans l’exopolymère. Dans la photo n° 13 on reconnaît l’exopolymère, sec pour les besoins de l’analyse, sous forme d’empilement de feuillets froissés enrobant des carapaces de Thécamibes des deux plus fréquents genres Chlamydophrys et Trinema. On remarquera le très grand nombre de carapaces de Thécamibes.

Conclusions

Dans un biofiltre compact à zéolites on reconnaît trois biotopes :

• la géogrille de répartition en surface est un lieu de conversion intense au contact de

l’air de la DBO, et d’H2S éventuel de l’eau d’alimentation en biomasse épuratrice.

La croissance de celle-ci est limitée par la macro-faune qu’elle héberge. Cette dernière se compose de vers Eisenia, de Collemboles, d’Acariens et de Nématodes.

• La zéolite à gros grains élimine le reste de la DBO, et nitrifie l’ammonium. La zone hydratée des zéolites formée par les micro- et macro-porosités constitue une réserve liquide importante qui impose un temps de séjour à l’eau usée favorable à l’épuration. La zone hydratée est colonisée par une biomasse bactérienne exploitée par des Thécamibes dont les genres les plus importants sont : Chlamydophrys, Trinema, Euglypha, Difflugia, Arcella. Leur nombre est remarquablement élevé dans la zone à gros grains.

• La zéolite à petits grains a les mêmes propriétés écologiques que la grosse zéolite. Elle a un rôle d’affinage et d’ultime répartition horizontale de l’effluent. Par manque de biomasse bactérienne à exploiter, la concentration en Thécamibes est moindre que dans la zéolite à gros grains.

• Une surcharge hydraulique du filtre provoque à l’interface des deux zéolites une perte de charge et devient un site de dénitrification.

Remerciements : Je remercie la Société EPARCO d’avoir facilité mes recherches sur le filtre compact à zéolite dans son Centre de Recherches à Mèze.

Références bibliographiques

* Védry B., Le Cossec J.M., Authier S., LaiKuen R. Une méthode d’examen biologique d’un filtre à sable à hélophytes – L’eau L’Industrie Les Nuisances 2008, N° 310, pp 79-85.

* Védry B. Biomasses d’un filtre à sable et d’un filtre à zéolite – Colloque ANC Lons-le-Saunier 15 & 16 octobre 2008.

* Védry B. Biomasses Épuratrice – Agence de l’Eau Seine-Normandie, septembre 1996, 220 pages.