5 théories majeures expliquant le foisonnement des boues activées dans le traitement des eaux usées
Le foisonnement des boues activées se caractérise par une prolifération excessive de micro-organismes filamenteux, entraînant une mauvaise décantation et une augmentation de l'indice de volume des boues (IVB). Comprendre les mécanismes à l'origine de ce foisonnement est essentiel pour améliorer les performances du traitement des eaux usées et assurer le bon fonctionnement de la station d'épuration.
Les chercheurs ont élaboré plusieurs théories pour expliquer pourquoi les bactéries filamenteuses acquièrent un avantage compétitif sur les micro-organismes formant des flocons dans certaines conditions environnementales.
L’hypothèse du rapport surface/volume (A/V) suggère que lorsque les concentrations de substrat deviennent limitées, les micro-organismes ayant une surface spécifique plus grande ont un avantage compétitif.
Les bactéries filamenteuses présentent une surface spécifique nettement supérieure à celle des bactéries floculantes, proportionnellement à leur biomasse. En conditions de faible concentration de substrat, les organismes filamenteux absorbent les nutriments plus efficacement, tandis que les bactéries floculantes sont limitées par le substrat.
En conséquence, les bactéries filamenteuses prolifèrent et dominent la communauté microbienne, ce qui entraîne un foisonnement des boues.
La théorie de la sélection cinétique est basée sur la cinétique de croissance microbienne.
Les différents micro-organismes présentent des taux de croissance spécifiques maximaux et des constantes d'affinité pour le substrat différents. Dans des conditions opératoires variables, les bactéries filamenteuses et les bactéries floculantes entrent en compétition pour les substrats disponibles.
La théorie propose que des conditions de fonctionnement telles qu'une faible charge organique, un âge long des boues et une faible concentration de substrat puissent favoriser les micro-organismes filamenteux ayant une affinité supérieure pour le substrat.
L'hypothèse de la famine classe les micro-organismes des boues activées en trois groupes :
Bactéries formant des flocons
Ces micro-organismes se développent généralement rapidement lorsque le substrat est abondant, mais deviennent moins compétitifs en cas de limitation prolongée des nutriments.
Bactéries filamenteuses à croissance lente et résistantes à la famine
Ces organismes filamenteux possèdent une forte affinité pour leur substrat et peuvent survivre dans des conditions de concentrations en nutriments extrêmement faibles.
Bactéries filamenteuses à croissance rapide et à affinité pour l'oxygène
Ces bactéries ont une forte affinité pour l'oxygène dissous mais sont très sensibles aux conditions de privation de nourriture.
L'équilibre entre ces groupes microbiens détermine si les boues se décantent correctement ou développent des caractéristiques de foisonnement.
La théorie de la sélection du stockage se concentre sur la capacité des micro-organismes à stocker des substrats.
De nombreuses bactéries non filamenteuses peuvent absorber et stocker des substrats en excès lors des périodes de forte disponibilité de ces derniers. Ces substances stockées peuvent ensuite être métabolisées pour produire de l'énergie ou synthétiser des composants cellulaires lorsque les substrats externes se raréfient.
Cette capacité de stockage offre un avantage concurrentiel aux bactéries floculantes.
Cependant, des chercheurs ont également découvert que certaines bactéries filamenteuses possèdent des capacités de stockage de substrat. Par conséquent, la sélection du substrat de stockage à elle seule ne peut expliquer entièrement tous les phénomènes de foisonnement des boues.
L'hypothèse de l'oxyde d'azote a été proposée par Casey pour les systèmes d'élimination biologique des nutriments à faible charge.
Selon cette théorie, une dénitrification incomplète dans les zones anoxiques peut permettre l'accumulation de nitrites dans les zones aérobies. Les produits intermédiaires de dénitrification, tels que l'oxyde nitrique (NO) et le protoxyde d'azote (N₂O), peuvent inhiber l'activité du cytochrome aérobie chez les bactéries floculantes.
Cette inhibition réduit l'efficacité d'utilisation du substrat par les micro-organismes formant des floculats.
Cependant, certaines bactéries filamenteuses peuvent ne réduire le nitrate qu'en nitrite et, par conséquent, accumuler moins de NO et de N₂O intracellulaires. De ce fait, elles subissent une inhibition moindre dans les zones aérobies et acquièrent un avantage compétitif.
Des études ont montré une corrélation positive entre la concentration de nitrites et les valeurs de l'IVS, confirmant ainsi cette hypothèse.
Les boues activées bien décantées présentent généralement les caractéristiques suivantes :
- distribution granulométrique large
- Flocons microbiens denses
- Dominance des cocci et des agrégats bactériens compacts
- Valeurs SVI faibles
Les boues gonflantes présentent souvent les caractéristiques suivantes :
- Taille des particules inférieure à 10 μm
- Flocons fragmentés et dispersés
- Croissance filamenteuse excessive
- Valeurs SVI élevées
- Mauvaises performances de stabilisation
Bien qu'aucune théorie ne puisse expliquer à elle seule tous les phénomènes de foisonnement des boues, l'hypothèse A/V, la théorie de la sélection cinétique, la théorie de la famine, la théorie de la sélection du stockage et l'hypothèse de l'oxyde d'azote fournissent collectivement des informations précieuses sur les mécanismes qui régissent la prolifération des bactéries filamenteuses.
La compréhension de ces théories aide les exploitants de stations d'épuration à identifier les causes profondes du foisonnement et à mettre en œuvre des stratégies de contrôle efficaces pour améliorer la décantation des boues et les performances globales de l'installation.
Le foisonnement des boues activées est principalement dû à une prolifération excessive de bactéries filamenteuses qui perturbent la formation et la décantation normales des flocs.
Les bactéries filamenteuses peuvent acquérir un avantage compétitif dans des conditions de faibles concentrations de substrat, de déséquilibre nutritionnel, de faible teneur en oxygène dissous ou d'accumulation de nitrites.
Pas toujours. Cependant, le foisonnement filamenteux est l'une des causes les plus fréquentes d'élévation de l'indice de volume de boues (IVB) dans les systèmes à boues activées.
Une prévention totale n'est pas toujours possible, mais un contrôle adéquat des procédés, l'équilibre des nutriments, la gestion de l'aération et le contrôle de l'âge des boues peuvent réduire considérablement les risques de foisonnement.
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