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Dépollution des eaux résiduaires : le lit bactérien immergé une solution mise à l’épreuve
Ahmed Hamdani 30 decembre 2019 Paru dans N°427 - à la page 115

Dans le domaine de l’épuration des eaux résiduaires, le lit bactérien représente une alternative facile à mettre en œuvre, économique et performante. Ce bioréacteur a été appliqué avec succès au traitement de trois types d’effluents bruts (industriel, sanitaire et synthétique) par biodénitrification. Il a d’abord été testé à l’échelle paillasse (20 litres) pour déterminer la faisabilité et les conditions opératoires du traitement, puis transféré sur un bioréacteur pilote de 60 litres cette fois-ci pour valider les résultats obtenus, avant de passer aux conditions réelles par la mise en place d’une station d’épuration complète comportant un Réacteur Biologique à Lit Bactérien Immergé BIORALBI de 4.000 litres comme étage de traitement secondaire. Les résultats enregistrés montrent que le procédé mis en œuvre colonisé par une flore hétérotrophe dénitrifiante sélectionnée FHDS permet de garantir une qualité de l’effluent épuré qui respecte les normes marocaines en vigueur, malgré une diminution des performances épuratoires lors de la montée en échelle du procédé (Scale up).

Nul ne peut ignorer la dégradation de la qualité de l’eau liée à la pollution hydrique qui représente un danger potentiel tant pour l’environnement que pour la santé humaine (OMS, 2014 ; Dubois et al., 2015 ; UNESCO, 2017). D’où la nécessité de dépolluer les eaux résiduaires brutes avant leur rejet en milieu récepteur. Dans ce domaine, le Maroc accuse un grand retard puisque sur les 700 millions de mètres cube produits annuellement, seulement 40 % sont épurées via 117 stations d’épuration. Ces installations reposent principalement sur des filières de type lagunage, boues activées ou décanteurs digesteurs qui représentent environ 80 % de l’ensemble des STEP, tandis que la filière lit bactérien n’est que peu représentée (Banque Mondiale, 2008 ; Belloulid et al., 2018). Les 420 Mm³ d’effluents restants et probablement davantage sont déversés directement à l’état brut dans le milieu récepteur car une grande part des STEP répertoriées est soit en panne, soit n’a pas été raccordée au réseau d’égout communal en raison de l’inadaptation des systèmes de traitement aux conditions locales, mauvaise conception des ouvrages, manque de moyens humains et financiers, problèmes de maintenance et de gestion (Projet MEDAWARE, 2003-2006). Ce faible taux de traitement des eaux usées (moins de 40 %) du essentiellement au coût élevé des projets d’épuration et au manque d’infrastructures de traitement, engendre un impact négatif sur l’environnement, la santé humaine et l’économie nationale. Le coût annoncé par la Banque mondiale est estimé à environ 0.43 milliards USD, soit 1,2 % du produit intérieur brut (Banque mondiale, 2008). Notre pays doit donc profiter des expériences réussies à l’échelle internationale pour développer des techniques épuratoires adaptées au contexte national, faciles à utiliser, performantes et économiques. Une attention toute particulière est accordée aux industries agroalimentaires, tant pour leur poids socio-économique que pour l’importance de leurs activités polluantes ; ainsi qu’aux collectivités de taille inférieure à 5.000 équivalents habitants, incapables d’investir pour le traitement autonome de leurs effluents qui sont à la recherche des solutions sur mesure.
C’est dans ce cadre que s’inscrit la présente étude qui est le fruit d’une rencontre entre, d’une part, le laboratoire BIOMARE de la Faculté des Sciences
d’El Jadida (FSJ) et, d’autre part, le laboratoire de l’eau et de l’environnement domicilié à la FSJ, un industriel laitier et l’Académie Hassan II des Sciences et Techniques. Cette synergie a permis la mise en place d’un projet d’étude dont les travaux se sont déroulés en deux étapes. D’abord, des essais ont été menés à l’échelle du laboratoire et ont conduit à des résultats très intéressants en ce qui concerne les performances d’un bioréacteur à lit bactérien immergé BIORALBI pour traiter un effluent laitier (Hamdani et al., 2018). Ce qui justifie le lancement d’une seconde phase à l’échelle semi-industrielle avec l’implantation d’une STEP complète au sein de la FSJ comportant deux bioréacteurs de 4.000 litres chacun comme étage de traitement secondaire des eaux résiduaires brutes issues du bloc sanitaire de la FSJ en vue d’améliorer le niveau d’hygiène des usagers universitaires et des résidents riverains et de réutiliser les eaux épurées pour arroser les espaces verts et alimenter les réservoirs d’eau des toilettes de l’établissement universitaire hébergeant la STEP étudiée.

Matériel et méthodes

Caractéristiques et fonctionnement des procédés de dépollution mis en œuvre

Pour éliminer la matière organique biodégradable contenue dans trois types d’effluents par biodénitrification, trois bioréacteurs de volumes différents ont été expérimentés à l’échelle pilote et à l’échelle semi-industrielle. Il s’agit des réacteurs BIORALBI 1, BIORALBI 2 et BIORALBI 3 dont les caractéristiques principales sont résumées dans le tableau 1.

Figure 1 : représentation schématique du principe de fonctionnement du bioréacteur BIORALBI (A) et en haut photos prises au laboratoire BIOMARE (B, à gauche) et in situ à la FSJ (C, à droite).

Les trois bioprocédés sont précédés d’une étape de pré-traitement et d’un bassin tampon d’homogénéisation et de neutralisation de pH et suivis d’un clarificateur permettant de séparer l’eau traitée des boues biologiques avec recirculation (Figure 1). Dans ce travail, seuls les résultats de la phase du traitement biologique secondaire sont présentés.

Une pompe péristaltique assure l’alimentation de chaque bioréacteur par un effluent prétraité qui transite à flux ascendant à travers le garnissage préalablement colonisé par la biomasse acclimatée. Cette dernière est composée d’un consortium bactérien dominé par une flore hétérotrophe dénitrifiante qui a été isolé à partir des sédiments et du sol d’une fosse de décantation et des bassins de stockage d’effluents laitiers et domestiques, purifié et sélectionné au laboratoire BIOMARE (Hamdani et al., 2018). Le tableau 2 rassemble les conditions de traitement dans chaque bioréacteur.

Effluents bruts, paramètres et méthodes analytiques

Le tableau 3 donne une caractérisation globale des effluents qui ont servi au traitement biologique.
Les prélèvements et la conservation des échantillons ont été réalisés selon le guide général pour la conservation et la manipulation des échantillons ISO 5667/3 (1994), tandis que les les analyses physico-chimiques (Température, pH, matière en suspension MES, demande chimique en oxygène DCO, demande biochimique en oxygène sur cinq jours DBO5, azote total Kjeldahl NTK, nitrates NO3-, nitrites NO2- et phosphore total PT) et microbiologiques (coliformes fécaux CF et streptocoques fécaux SF) de l'affluent et de l’effluent (tableau 4) ont été déterminées conformément aux méthodes décrites par la norme AFNOR en vigueur.

Les essais de traitement des effluents réels ont été réalisés chacun sur un échantillon moyen représentatif d’environ 24 h de rejets d’eau usée et en fonction du débit et l’efficacité de traitement a été appréciée analytiquement par le suivi de l’évolution des paramètres de pollution présentés sur le tableau 4 à l'entrée (Ce) et à la sortie (Cs) des bioréacteurs BIORALBI 1, 2 et 3. Le calcul du taux d’abattement d’un paramètre polluant (a) exprimé en pourcentage est basé sur la formule ci-contre : 

Résultats et commentaire

Composition des effluents bruts
Les concentrations moyennes des trois effluents étudiés sont présentées dans le tableau 4 d’après lequel il ressort que l’effluent laitier réel brut se caractérise par des teneurs moyennes très élevées en MES, en DCO et en nitrates issus de l’utilisation de l’acide nitrique comme agent de nettoyage, ce qui se traduit par un pH acide (5,5). Par contre, la composition indique un pH relativement voisin de la neutralité et des charges en MES, en DCO et en azote moyennes à importantes selon la classification de Metcalf et Eddy (2013). Toutefois, les teneurs en phosphore et en nitrates sont faibles.
D’après Borrego et al. (1982) et Aconsult (2005), la caractérisation bactériologique indique une contamination fécale d’origine animale importante de l’effluent laitier puisque le rapport moyen CF/SF<1. Cependant, ce même rapport (CF/SF) est égal à 1,8 dans le cas de l’effluent du bloc sanitaire témoignant ainsi une pollution fécale d’origine humaine.
Quant à l’effluent synthétique, il contient en plus de la poudre de lait commercial, les principaux éléments nécessaires à la croissance bactérienne, notamment une fraction carbonée (amidon et extrait de levure) conduisant à une DCO d’environ 1.500 mg/l et d’une fraction minérale composée d’une solution de phosphate, une solution d’oligoéléments et du nitrate. Ce qui est à l’origine d’une concentration en phosphore, en azote et en nitrate de l’ordre de 15 ; 148,6 et 306,6 mg/l respectivement.
D’après ces résultats, il est clair que les paramètres analysés dépassent les normes nationales et internationales recommandées, ce qui implique de traiter l’effluent laitier et l’effluent sanitaire par voie biologique surtout qu’ils présentent un caractère aisément biodégradable sans apport d’éléments nutritifs, puisque leurs rapports moyens respectifs DCO/DBO5 sont de l’ordre de 1,3 et 2,1. Le ratio moyen DBO5/NTK/P est de 100/5,2/1 pour l’effluent laitier industriel et 100/14/1 pour l’effluent provenant du bloc sanitaire de la FSJ.
Toutefois, le pH acide enregistré au niveau de l’effluent laitier brut oblige une correction de ce paramètre avant son traitement. La concentration faible en nitrates dans l’eau usée de la FSJ nécessite un apport en nitrates pour corriger le rapport DCO/NO3- à une valeur permettant d’assurer une bonne dénitrification.
Optimisation des conditions opératoires au niveau du réacteur BIORALBI 1
Figure 2 : effet de la température (A) et du pH (B) sur le temps de latence de la FHDS.


Effet de la température et du pH sur l’activité de la FHDS
La figure 2 montre que la croissance bactérienne dépend de la température et du pH du milieu réactionnel. Ainsi, en dehors de l’intervalle de température compris entre 20 et 35 °C et de pH entre 6 et 9 où la cinétique de dénitrification n’est pas fortement affectée, la phase de latence augmente.
Le temps de latence dure 140 heures pour une température de 5 °C et un pH de 12, mais seulement 11 heures pour une température de 30 °C et un pH de 7. En effet, la croissance bactérienne la plus favorable est obtenue à une température de 30 °C et un pH de 7.
Figure 3 : effet du rapport massique DCO/NO3- sur la biodénitrification.

Effet du rapport molaire DCO/NO3x- sur l’activité de la biomasse dénitrifiante

La figure 3 indique que c’est le rapport DCO/NO3- égal à 5 qui permet à la FHDS de réaliser une dénitrification complète (99,9 %) accompagnée d’une oxydation de 94 % de la DCO. Cependant, si ce rapport est inférieur ou supérieur à 5, le rendement de dénitrification diminue progressivement pour atteindre des valeurs basses (51 % pour le rapport 1 et 62 % pour le rapport 10). Ceci peut être expliqué par le fait que pour un rapport DCO/NO3- faible, la quantité de matière organique biodégradable est insuffisante pour que les bactéries dénitrifiantes puissent l’utiliser plus longtemps.
Par contre, si ce rapport est élevé, la biomasse dénitrifiante est incapable de consommer la totalité du carbone disponible car il est majoritaire par rapport au nitrate. C’est le cas des rapports DCO/NO3- de 9 ou de 10 dont le taux d’abattement de la DCO est égal respectivement à 49 et à 41 %.
Expérimentations au niveau du réacteur BIORALBI 2
Effet du temps de séjour sur la performance du bioréacteur

Afin de vérifier si les résultats obtenus précédemment vont être reproduits lors de l’augmentation du volume du bioréacteur, et en prenant en considération les conditions opératoires optimisées citées en paragraphe précédent, trois cycles (court, moyen et long) ont été testés au sein de BIORALBI 2 (tableau 4).

Comme indiqué dans ce tableau 4, à part le cycle de 24 heures où la biodénitrification est incomplète (79,5 ± 9,3 %), la FHDS cultivée en mode fixé dans le bioréacteur BIORALBI 2 est capable de dénitrifier la totalité des ions nitrates initialement présents au cours des cycles de 48 et 96 heures. Cette biodénitrification est couplée à la dégradation de la DCO, mais à des valeurs ne respectant pas la norme marocaine recommandée pour le cycle de 48 heures. Ainsi, la qualité de l’effluent, suivie par la DCO, n’est satisfaisante qu’après 96 h de traitement puisque l’on atteint une concentration en sortie du bioréacteur de 268 ± 88 mg/l équivalente à un rendement de 82,1 ± 7,2 %, ceci pour des charges appliquées de 0,171 kg de NO3- et de 0,837 kg de DCO par m³ de matériau par jour.
Figure 4 : taux d’abattement et concentration en DCO de l’affluent et de l’effluent.

Effet du mode d’aération sur l’amélioration des performances épuratoires

Exposé à l’anoxie totale durant 96 h de fonctionnement, le procédé BIORALBI 2 permet d’obtenir un rendement satisfaisant en matière de réduction simultanée de NO3- (99,9 ± 24 %) et de la DCO (82,1 ± 7,2 %), ce qui n’est pas le cas pour NTK où le taux d’abattement ne dépasse guère 35,4 ± 6,4 % (tableau 4).
Figure 5 : taux d’abattement et concentration en NTK et en NO3- de l’affluent et de l’effluent.

Toutefois, l’intégration d’une période d’aération alternée à l’anoxie à raison de 50 % permet d’améliorer concrètement les taux d’enlèvement de la pollution carbonée en DCO qui atteint 93,5 ± 8,1 % (figure 4) et surtout celle azotée en NTK qui s’est améliorée d’un facteur de 2,5 pour grimper à 87,5 ± 16,1 % (figures 5) et garantir ainsi la conformité des trois paramètres analysés aux normes tant nationales qu’internationales (Tableau 4).

Suivi des performances épuratoires au niveau des trois bioréacteurs

Les valeurs moyennes des paramètres physico-chimiques et bactériologiques des effluents ainsi que de leur taux d’abattement moyen pour les trois bioréacteurs sont rapportées dans le tableau 5.

Essai de biotraitement au niveau de BIORALBI 1

La figure 6 présente les rendements moyens épuratoires du réacteur BIORALBI 1 en matière d’abattement des paramètres classiques de la pollution. On note qu’au bout de 3 jours, on obtient une dénitrification complète (99,2 ± 12 %) sans accumulation de nitrites couplée à la réduction de 91,5 ± 10 % de la DCO et de 96 ± 14 % de la DBO5 initialement présents dans l’affluent. Pour l’azote total Kjeldahl et le phosphore total, les taux d’enlèvement moyens sont assez importants : 58 ± 5,3 % pour NTK et 73 ± 11 % pour le PT. Les CF et les SF ont connu des taux d’abattement rapprochés et moyens ne dépassant pas 42 ± 5,3 % et 46 ± 5,1 % respectivement.
Figure 6 : taux d’abattement moyen des paramètres de pollution dans les trois bioréacteurs.

Validation des résultats obtenus en BIORALBI 2

L’application de BIORALB2 dans des conditions optimales de température (30 ± 5 °C), de pH (7 ± 0,5) et du rapport massique DCO/NO3- (5 ± 1) a permis aux bactéries dénitrifiantes au bout de 96 heures de dénitrifier la quasi-totalité des nitrates contenus dans l’effluent laitier synthétique (99,9 ± 24 %) et de dégrader 82,1 ± 7,2 % de la DCO, 86 ± 21 % de la BOD5 et 67 ± 22 % de PT (Figure 6), ce qui permet de respecter les normes marocaines recommandées pour ces paramètres. Cependant, ce procédé n’a affiché qu’une réduction insuffisante de NTK, avec un taux de 35,4 ± 6,4 %, aboutissant ainsi à un effluent final d’une concentration moyenne en NTK égale à 96 ± 28 mg/l, valeur qui ne respecte pas la norme marocaine exigée (30 mg/l).
Essai de biotraitement au niveau de BIORALBI 3
Pour les essais menés au réacteur BIORALBI 3 en présence de l’effluent du bloc sanitaire nitraté, on note qu’après 12 jours, la biomasse dénitrifiante mise en œuvre présente une activité dénitrifiante de l’ordre de 98 ± 12 % accompagnée d’une oxydation de 65 ± 6,2 % de la DCO. Les taux d’abattement obtenus pour les autres paramètres, à savoir la BOD5, NTK, PT, CF et SF sont respectivement de 71 ± 9,1 %, 44 ± 7,3 %, 33 ± 5,5 %, 54 ± 6,4 % et 51 ± 5,8 % (Tableau 4).
Il ressort de l’ensemble des résultats que lors de la montée en taille du procédé BIORALBI, la durée du traitement augmente, tandis que les performances épuratoires diminuent. Malgré ce constat, la qualité requise des trois effluents traités demeure conforme aux normes marocaines des rejets liquides, sans pour autant atteindre les valeurs-limites imposées par la directive européenne 91/271/CEE du 21 mai 1991 relative au traitement des eaux résiduaires urbaines.

Conclusion

L’analyse physicochimique et bactériologique des trois effluents a révélé qu’ils ont une composition à peu près similaire car, d’une part, un effluent laitier réel est avant tout du lait complet plus ou moins dilué et, d’autre part, les eaux usées des sanitaires possèdent des caractéristiques qualitatives proches de celles des effluents laitiers du fait qu’ils contiennent tous les deux de la matière organique, des sels minéraux et des microorganismes et sont dépourvus de substances toxiques ou inhibitrices.
Les résultats enregistrés lors de l’expérimentation des trois bioprocédés à lit bactérien immergé BIORALBI 1, 2 et 3 révèlent que l’effluent d’eau épurée dans les trois cas s’avère conforme aux normes marocaines en vigueur, même si le rendement épuratoire régresse au fur et à mesure de l’augmentation du volume du bioréacteur.
Sous réserve d’envisager une étude plus poussée sur d’autres paramètres de fonctionnement et des mécanismes se développant dans le procédé proposé, il peut constituer une alternative intéressante pour traiter simultanément et dans une même enceinte réactionnelle la matière organique biodégradable et l’azote présents dans les effluents générés tant par les industries agroalimentaires que par les petites agglomérations.
Remerciement
  • Le bioprocédé de paillasse BIORALBI 1 a fait l’objet d’une thèse de doctorat à la FSJ.
  • Le procédé pilote BIORALBI 2 entre dans le cadre du projet « ENVIRONNEMENT MAROC FSP RMIE 02/014 » cofinancé par le FSP-France et le CNRST-Maroc.
  • Le projet semi-industriel BIORALBI 3 qui est le fruit des travaux antécédents a bénéficié du soutien financier de l’Académie Hassan II des Sciences et Techniques.