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Procédés innovants et intelligence artificielle au service du traitement biologique des eaux usées

30 septembre 2021 Paru dans le N°444 à la page 162 ( mots)
Rédigé par : Hayet DJELAL de UNILASALLE - EME, Gérard HUILLERY de UNILASALLE - EME et Jean-marc LAFERTé de ECAM Rennes

La présente étude se propose dans une première partie de faire l’inventaire des principaux procédés innovants dans le traitement biologique des eaux usées, basés sur des traitements avancés tels que la biostimulation, bioacclimatation et bioaugmentation. Le passage des boues floculées aux boues granulaires ou l’ajout de biochar sont des pratiques à l’étude à l’échelle académique et commencent à trouver des applications industrielles. Une seconde partie présentera les premiers travaux sur le développement d’un logiciel de traitement d’images qui permet, à moindre coût et en 4 secondes par image, d’estimer la surface des flocs et l’abondance des espèces microbiennes. Cet outil, utile quel que soit le procédé biologique, permet de détecter rapidement un dysfonctionnement au niveau du traitement biologique et de réagir immédiatement avant que l’efficacité épuratoire en soit affectée.

Le traitement des eaux usées urbaines par boues activées, dit traitement biologique conventionnel, est largement développé. Les performances épuratoires sur la macropollution, l’azote et le phosphore sont bien prouvées. Toutefois, ce traitement n’élimine pas les micropolluants (résidus médicamenteux, microplastiques, nanoparticules, métaux…) qui se retrouvent donc dans le milieu naturel avec des conséquences non négligeables sur l’environnement.
Dans le but d’optimiser le traitement de la micropollution, de réduire l’emprise au sol des installations, de diminuer la consommation énergétique (usine du futur), il importe d’aller vers des traitements plus performants dit « traitements biologiques avancés ». Puisqu’il n’est pas envisageable de modifier totalement les stations d’épuration des eaux usées urbaines (STEP) en service, il faut optimiser le procédé biologique conventionnel, en apportant des modifications mineures qui ne nécessitent pas de revoir le dimensionnement global du bassin biologique.
La consommation énergétique due à l’aération du bassin biologique pour l’oxydation de la matière organique, la nitrification et l’élimination du phosphore (dans le cas d’une déphosphatation biologique couplée à une déphosphatation physico-chimique) représente près de 60 % du coût global d’exploitation. Dans le contexte actuel de réduction de la consommation énergétique des installations industrielles, il est impératif de réduire cette dépense. Une possibilité est de produire l’énergie nécessaire sur site par digestion anaérobie des boues issues du clarificateur. La cogénération du biogaz permettrait la production d’électricité nécessaire pour l’alimentation en air du bassin biologique.
Les eaux usées urbaines sont riches en azote et phosphore, l’usine du futur se propose de récupérer ces deux éléments assurant une alternative à l’épuisement des ressources minières.
L’emprise au sol des stations d’épuration peut s’avérer problématique pour les communes ne possédant pas un foncier important. Un moyen de minimiser la surface de la STEP (station d’épuration) est de réduire les ouvrages dédiés au traitement biologique. Cela est possible en s’affranchissant, par exemple du clarificateur. La technologie de Sequencing Batch Reactor (SBR) est appropriée avec le développement de boues granulaires aérobies ou boues granulaires microalgues-bactéries.
Un point important est de permettre le recyclage des eaux traitées (reuse¹) pour l’arrosage des espaces verts, l’irrigation de cultures agricoles, de golf…

 ¹ Réutilisation des eaux usées traitées.

Actuellement, le suivi de l’efficacité épuratoire est essentiellement réalisé par des analyses physico-chimique (pH, matière sèche, conductivité, Indice de boues, Demande Chimique en Oxygène…). Or le suivi de la communauté microbienne des boues activées est un bon indicateur de l’efficacité de traitement, surtout en présence de micropolluants. La prolifération de bactéries filamenteuses est par exemple souvent responsable du foisonnement des boues et de leur mauvaises décantabilité dans le clarificateur. Des micro-flocs peuvent alors se retrouver avec les eaux de rejet et causer des nuisances environnementales. La taille et la stabilité des flocs sont des paramètres à vérifier régulièrement tout comme la composition de la flore microbienne composant les boues activées. Différentes techniques de comptage et/ou d’identification des microorganismes existent :
  • L’observation par microscopie optique conventionnelle.
  • La méthode FISH (Fluorescent In Situ Hybridation).
  • La méthode PCR (Polymerase Chain Reaction).
  • La méthode MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-Of-Flight).

La première technique est chronophage et l’erreur de lecture importante. Les inconvénients majeurs des trois autres techniques sont le temps d’analyse des échantillons prélevés et le coût. Une autre technique possible est la microscopie optique conventionnelle associée à un outil d’acquisition d’image et un logiciel de traitement d’images. Le temps d’analyse serait ainsi fortement réduit, de même que les erreurs de comptage et d’observation humaines. En quelques secondes, un échantillon de liqueur mixte sera analysé par le logiciel qui pourra donner une indication chiffrée sur l’abondance des flocs, protozoaires, métazoaires et la présence de bactéries filamenteuses (figure 1).

La suite de l’article a pour objectif de présenter la diversité de la communauté microbienne des boues activées, les procédés innovants dans le traitement des eaux et les travaux préliminaires sur l’élaboration d’un outil de traitement d’images de la communauté microbienne qui pourra être utilisé quel que soit le procédé biologique utilisé.

Traitement biologique conventionnel par boues activées

Le procédé de boues activées (BA) est le biotraitement le plus couramment utilisé par les STEP. Généralement, l’analyse des communautés microbiennes dans les boues activées se concentre uniquement sur les bactéries et les rôles des autres groupes microbiens ont souvent été négligés. En réalité, les boues activées possèdent une grande biodiversité, et on peut trouver des bactéries, des champignons, des protozoaires (10-200 µm) et des métazoaires (50 µm-3 mm), ainsi que des composés non biologiques contenant des particules organiques et inorganiques (figure 2).

Dans un bassin d’aération bien entretenu, on peut trouver des flocs bactériens, qui sont principalement un groupe de bactéries concentrées dans le floculant, bien que certains puissent être libres dans les eaux usées. Les flocs (10 µm à 1 mm) ont des structures poreuses ouvertes et peuvent résister aux forces de mouvement de l’eau lors de l’aération des réservoirs. La formation de flocs est possible grâce aux substances polymériques extracellulaires (SPE), essentiellement composés de protéines et de polysaccharide, produites par les microorganismes. La composition des SPE, lors du biotraitement des eaux usées, pourrait impacter la taille des flocs de boues, affectant ainsi la floculation et la décantation et altérant les propriétés des boues activées. Les bactéries et les archées jouent le rôle principal de dégradation des composés chimiques lors du traitement des eaux usées. Dans la communauté microbienne des boues activées, certains microorganismes sont abondants et présentent une activité épuratrice forte. D’autres microorganismes sont minoritaires, toutefois, dans certaines conditions ou en présence de micropolluants, ils peuvent se développer et acquérir une activité significative.
Les ciliés sont les protozoaires les plus abondants dans les boues activées et constituent environ 5 % de la masse sèche des boues activées. Ils jouent un rôle important en éliminant les bactéries dispersées ce qui permet d’améliorer la décantation des boues Il existe une corrélation positive significative entre l’indice de volume des boues (IVB²) et les ciliés nageant librement. Cet indice représente donc un bon indicateur des conditions de décantation des boues. Toutes les espèces ciliées ont un métabolisme aérobie. La structure de la communauté des ciliés est assez sensible aux changements des paramètres physico-chimiques, principalement à la variation des charges organiques. Les rotifères, organismes métazoaires, naturellement présents dans les boues activées, ingèrent des bactéries filamenteuses et contribuent à l’amélioration des propriétés de décantation des boues.

²Correspond à Sludge Volume Index (SVI).

Le foisonnement des boues, fréquemment observé dans les stations d’épuration (figure 3), résulte de la prolifération de bactéries filamenteuses, en particulier Microthrix parvicella. C’est certainement l’un des principaux problèmes observés sur une exploitation de traitement des eaux usées urbaines ou industrielles. Il est cependant possible de contrôler la croissance de M. parvicella et de réduire l’indice de volume des boues en maintenant la charge de boues au-dessus de 0,1 kg de DCO³ (kg MS.J)-1.

³ Demande Chimique en Oxygène.

Les procédés biologiques avancés

Le traitement biologique conventionnel par boues activées est inefficace sur certains composés, dits biorécalcitrants. Il existe toutefois des procédés pour améliorer le rendement de la bioremédiation avec des boues activées ou/et souches spécifiques : la biostimulation, la bioacclimatation et la bioaugmentation.
L’amélioration de la croissance microbienne peut être atteint par l’ajout d’une source de carbone facilement assimilable et/ou par addition de médiateur, cofacteur ou inducteur pour stimuler l’excrétion d’enzymes (Semrany et al. 2012). L’élimination de 90 % d’un antibiotique, la doxycycline par biostimulation des boues activées par ajout de cuivre, représente un gain de 30 % par rapport au témoin (boues activées seules) (Djelal et al. 2020). Le procédé de bioaugmentation repose sur la sélection de microorganismes spécifiques, présents dans les boues activées de manière minoritaire. Ces microorganismes sont isolés et stimulés afin de pouvoir, en synergie avec la communauté bactérienne endogène, éliminer spécifiquement la DCO « dure ». Le traitement sur site par bioaugmentation d’un effluent de laiterie par des souches spécifiques ajoutées aux boues activées autochtones (Djelal et Amrane 2013) a permis d’augmenter les rendements d’élimination de la DCO bioréfractaire. Ces procédés de traitement ne demandent aucune modification de la filière existante.

La technologie des boues granulaires aérobies (BGA)

La technologie des boues granulaires aérobies développée à l’Université de Technologie à Delft aux Pays-Bas en 1995 (Technologie Nereda®) permet de concevoir des stations d’épuration 2 à 3 fois plus compactes que les STEP conventionnelles à boues activées. Le procédé BGA repose sur un traitement biologique aérobie classique avec utilisation de bactéries spécifiques cultivées dans des conditions bien précises, afin d’obtenir des boues granulaires de taille comprise entre 250 et 500 µm. Les granules sont des agrégats bactériens en suspension comparables aux flocs, mais de structure plus homogène, arrondie et compacte. Les Substances Polymériques Extracellulaires (SPE), composés majeurs de la matrice extracellulaire, jouent un rôle important sur les propriétés physico-chimiques des granules formés (densité, cohésion, stabilité). Les EPS sont produites lors de la phase d’alimentation et servent de “colle biologique” pour la formation des granules. Trois couches se superposent : la couche externe aérobie contient un ensemble d’organismes autotrophes et hétérotrophes, la couche intermédiaire est anoxie et il est possible de trouver des organismes dénitrifiants, la troisième couche est anaérobie où se développe les organismes anaérobies (figure 4). L’élimination des composés organiques, azotés et phosphorés est possible au sein d’un unique réacteur de type Sequencing Batch Reactor (SBR).

Le cisaillement imposé par le procédé aux granules présents dans le réacteur est lié à l’intensité de l’aération, la vitesse de l’air et le rapport hauteur sur diamètre (H/D). Il s’avère qu’un rapport H/D > 10 améliore la formation des granules au sein du bioréacteur. Lorsque les microorganismes subissent un stress lié au cisaillement, leur comportement devient favorable à la formation de granules. En effet, ils produisent plus de substances polymères extracellulaires, la stabilité de l’agrégat microbien est alors plus importante. La charge massique (Cm) de l’effluent est un paramètre important dans le développement des boues granulaires. Elle dépend de la composition et du développement des SPE, de la stabilité, du temps de granulation, de la diversité microbienne et de l’efficacité de l’élimination des polluants. La charge massique optimale doit être comprise entre 0.4 et 0,5 kg de DCO (kg MS.J)-1. La production de granules stables est impossible à une température inférieure à 8 °C, toutefois, les granules formés à 20 °C peuvent résister à une baisse de température et rester stables. Le pH du milieu est un facteur de sélection de la croissance microbienne. Les champignons se développent à des pH bas et peuvent contribuer à l’initialisation de la granulation. La décantation est une phase essentielle dans la formation des granules : elle sélectionne les granules les plus stables, la biomasse pauvrement décantée étant simplement lessivée. Le rapport entre la durée d’alimentation et le temps de famine est également déterminant pour la formation des granules. En effet ce temps de famine déclenche l’hydrophobicité des bactéries, favorise l’agrégation microbienne et engendre la formation de boues granulaires aérobies. Une période d’alimentation durant 40 % du temps d’aération – sans limite inférieure de substrat carboné – favorise la formation de boues granulaires stables, donc une décantation optimale (Rollemberg et al., 2018).

La biomasse est considérée comme granulaire lorsque le ratio du volume décanté en 30 minutes (VD30) par rapport au volume décanté en 5 minutes (VD5) est proche de 1 (figure 5).

En comparaison avec la technologie des boues activées conventionnelles (BAC), les BGA présentent une décantation améliorée, une meilleure rétention de la biomasse et une meilleure résistance à la charge massique. Le procédé consomme moins d’énergie et la densité cellulaire, la résistance aux fluctuations de la charge massique et les vitesses de sédimentation des boues sont plus élevées (De Kreuk, 2006). DHV Royal Haskoning a construit une trentaine de STEP basées sur la technologie Nereda®. En France, la Société Sources, qui possède depuis 2018 la licence exclusive d’exploitation de ce procédé, l’intègre dans sa conception de la STEP dans la commune de Fleury (60) baptisée « Villa Calypseau ».
Cependant, le développement des BGA nécessite une longue période – entre trois et quatre semaines – pour obtenir les boues granulaires aérobies à partir des boues activées. La stabilité des granules formés dépend toutefois fortement de la charge massique et de l’âge des boues : c’est une des faiblesses de ce procédé

Boues granulaire microalgues-bactéries

Le procédé de boues granulaires microalgues-bactéries (BGMB) devrait répondre à l’avenir aux exigences de la technologie de traitement des eaux usées municipales pour le traitement de la pollution organique et minérale, la consommation d’énergie, les émissions de carbone et la récupération des ressources. Les boues granulaires microalgues-bactéries sont constituées d’un agrégat microbien symbiotique de microalgues (y compris les procaryotes cellulaires simples, les eucaryotes et les diatomées, etc.) et de bactéries (y compris des bactéries hétérotrophes, bactéries accumulatrices de phosphate, etc.). Les microalgues peuvent fournir de l’oxygène (O2) pour l’oxydation de la matière organique, ainsi que consommer du dioxyde de carbone (CO2) comme source de carbone provenant de bactéries respiratoires (Figure 6).

Les algues peuvent se développer spontanément et coexister avec les boues activées pendant le processus de granulation dans les systèmes SBR. Après 19 jours de culture dans un réacteur SBR, les granules microalgues-bactéries peuvent se former (Zhang et al., 2020). Les microalgues peuvent convertir l’azote et le phosphore des eaux usées en biomasse qui devient une ressource pour la production d’énergie et de carburants par digestion anaérobie, réduisant ainsi les émissions totales des gaz à effet de serre. La formation de granules de micro-algues et bactéries est liée à l’excrétion de substances de polymères (SPE). La formation de BGMB facilite la séparation de la biomasse de l’eau traitée avant rejet dans le milieu naturel. Par rapport aux boues activées, le processus BGMB possède les mérites d’une faible consommation d’énergie, d’une adaptabilité et du potentiel de récupération des ressources. La stabilité des granules microalgues-bactéries est plus élevée que celle des granules de boues.
Cependant, les interactions biologiques et la contribution de chacun des organismes biologiques à la formation de granules microalgues-bactéries restent floues.


Le biochar dans le traitement des eaux usées

Le biochar, un co-produit de la pyrogazéification d’une large gamme de biomasse (bois, bambou, paille…) est un adsorbant comparable au charbon actif. Toutefois, sa production est moins coûteuse et résulte de la valorisation d’un co-produit. Les propriétés d’adsorption du biochar dépendent essentiellement de la matière première utilisée et des conditions de pyrolyse (température et prétraitement de la matière première). Comparé au biochar vierge, le biochar éco-conçu a généralement une plus grande surface spécifique, une capacité d’adsorption plus forte ou/et une surface fonctionnelle plus abondante. Le biochar trouve un intérêt de plus en plus fort dans le domaine du traitement des eaux usées. Il est additionné aux boues activées pour améliorer les performances épuratoires de l’élimination de la micropollution (Xiang et al, 2020). Des auteurs observent une augmentation de l’élimination du Ciprofloxacin (CIP), un antibiotique de seconde génération de la famille des fluor-quinolones, largement utilisé ces dernières années (Kim et al., 2020). L’addition du biochar permet d’éliminer 94 % du CIP par adsorption alors que les boues activées seules n’ont aucun effet. Le biochar représente une nouvelle solution rentable et écologique pour le traitement des eaux usées sans modification de la conception de la station d’épuration. L’ajout de biochar issu de la gazéification de boues d’une unité de traitement d’effluent pétrolier, dans un SBR à BGA a permis d’augmenter la taille des granules, d’améliorer les performances épuratoires du réacteur et d’augmenter la résistance des granules au choc de la charge organique (Wang et al., 2020).

Développement d’un outil numérique pour l’étude des populations microbiennes des boues activées

Le suivi de l’efficacité du traitement des eaux usées s’appuie sur les paramètres physico-chimique (pH, MES, DCO…) et trop peu sur la flore microbienne des boues activées. Or, s’il y a dysfonctionnement de la STEP, cela signifie que la communauté bactérienne est perturbée. Ainsi l’évolution de la composition des boues activées est-elle un indicateur fiable de toute perturbation. Il est donc important d’effectuer un suivi régulier et permanent. Cette opération peut être chronophage et fastidieuse, c’est pourquoi il est intéressant de mettre l’intelligence artificielle au service du suivi de la qualité microbiologique des boues activées, ce qui a fait l’objet de l’étude ci-après.

Des images microscopiques (grossissement x1000) ont été acquises à partir d’échantillons de boues activées fraîchement prélevées dans le bassin biologique de la station d’épuration de Bruz (35). À partir de ces images, nous avons développé un programme dont le but principal est d'identifier les micro-organismes présents et d'estimer leur nombre par famille. Ainsi on pourra en déduire l'évolution de la communauté microbienne. Dans cette étude nous nous sommes focalisés sur deux micro-organismes, les Holotriches et les Péritriches vorticelle à pédoncule long (figure 7).

Le choix des deux protozoaires étudiés s’est fait sur la base de leur abondance dans la communauté microbienne, de leur taille et leur morphologie. Le logiciel repose sur une méthode d’apprentissage supervisé. La base d’apprentissage était constituée de 1000 images d’observations microscopiques de boues activées, la résolution initiale de l’image obtenue par photographie d’une observation microscopique d’un échantillon de boues activées est ramenée à une résolution de 605x454 pixels avant d’être « injectée » dans le réseau de neurones.

Pour établir la vérité terrain, nous avons (à l’aide du logiciel LabelImg), sur chaque image de la base d’apprentissage, encadré chaque micro-organisme (parmi les 2 précités) en spécifiant sa classe (Holotriche ou Péritriche). Chaque image est injectée dans un réseau de neurones convolutif produisant en sortie la localisation et l’identification des microorganismes recherchés (figure 8). Plus précisément, l’architecture Faster RCNN a été utilisée afin de localiser et classifier ces deux familles de micro-organismes. Chaque détection est associée à une probabilité d’identification. Ces architectures neuronales rencontrent un vif succès en analyse d’images avec de nombreuses applications, Wahid et al, (2018) ont par exemple utilisé ce procédé pour la classification de microorganismes responsables d’épidémie.

Les performances obtenues sur la base de test sont visibles dans le tableau 1 et sont établies en comparaison avec la vérité terrain. Ces performances sont encourageantes mais encore perfectibles, ne serait-ce qu’en enrichissant la base d’apprentissage, à partir par exemple de techniques de data augmentation (transformation géométriques ou colorimétriques réalistes).

La surface des flocs a par ailleurs été estimée par des traitements plus classiques (extraction d’une composante couleur, binarisation…) mais se heurte à la difficulté de calculer une vérité terrain, de sorte qu’il est difficile d’évaluer objectivement les performances de ce traitement. Si des microorganismes sont présents sur l’image originale (figure 9a), ils sont préalablement soustraits après identification par le modèle neuronal. Les flocs reconnus sont en blanc (figure 9b). Enfin, bien que le temps de calcul ne soit pas une contrainte forte, nous avons choisi un modèle neuronal réputé rapide en exploitant un GPU (Nvidia Quadro K600) permettant de traiter une image en environ 4 secondes (hors temps d’apprentissage).

Conclusion

L’usine de traitement des eaux usées du futur devra pallier les faiblesses du traitement conventionnel par boues activées. Pour cela, il est nécessaire d’améliorer les procédés existants sans une modification conséquente des installations en place. Les procédés biologiques avancés (biostimulation/bioacclimatation/bioaugmentation) ont montré leur efficacité vis-à-vis de la pollution bioréfractaire. Optimiser la décantabilité des boues, s’affranchir du clarificateur est possible en développant les boues granulaires aérobies avec ou sans micro-algues. Le biochar ajouté à l’eau à traiter peut améliorer l’élimination de polluants.
L’outil développé pour le comptage de deux protozoaires s’avère encourageant pour le suivi de la communauté microbienne. Il s’agit à présent d’élargir la reconnaissance à plus de protozoaires et métazoaires. Le logiciel est adapté à l’estimation de la quantité de flocs synonyme d’une décantation optimale.
Remerciements
Les auteurs remercient vivement les élèves en dernière année du cycle d’ingénieur d’unilasalle-EME (35) qui ont travaillé dans le cadre de leur projet d’ingénierie sur la thématique du traitement biologique des eaux usées avec Hayet Djelal ou/et avec Gerard Huillery. Il en est de même pour les élèves de l’ECAM Rennes qui ont travaillé sur le traitement d’images.