Introduction 

L’épuration des eaux est un ensemble de techniques qui consistent à purifier l'eau soit pour
recycler les eaux usées dans le milieu naturel, soit pour transformer les eaux naturelles en eau
potable.

Techniques de traitement d’eau :

La dépollution des eaux usées nécessite une succession d'étapes faisant appel à des traitements
physiques, physico-chimiques et biologiques. En dehors des plus gros déchets présents dans
les eaux usées, l'épuration doit permettre, au minimum, d'éliminer la majeure partie de la
pollution carbonée.
Selon le degré d'élimination de la pollution et les procédés mis en oeuvre, trois niveaux de
traitements sont définis.

Les prétraitements consistent à débarrasser les eaux usées des polluants

solides les plus grossiers (dégrillage, dégraissage). Ce sont de simples
étapes de séparation physique.

Les traitements primaires regroupent les procédés physiques ou physico-

chimiques visant à éliminer par décantation une forte proportion de
matières minérales ou organiques en suspension . A l'issue du traitement
primaire, seules 50 à 60 % des matières en suspension sont éliminées.
Ces traitements primaires ne permettent d'obtenir qu'une épuration
partielle des eaux usées. Ils ont d'ailleurs tendance à disparaitre en tant
que seul traitement, notamment lorsque l'élimination de la pollution
azotée est requise. Pour répondre aux exigences réglementaires, une
phase de traitement secondaire doit être conduite.

Les traitements secondaires recouvrent les techniques d'élimination des

matières polluantes solubles (carbone, azote, et phosphore). Ils
constituent un premier niveau de traitement biologique.

Dans certains cas, des traitements tertiaires sont nécessaires, notamment

lorsque l'eau épurée doit être rejetée en milieu particulièrement sensible.
A titre d'illustration, les rejets dans les eaux de baignade, dans des lacs
souffrant d'un phénomène d'eutrophisation ou dans des zones d'élevage
de coquillages sont concernés par ce troisième niveau de traitement.

Les filières biologiques :

Les procédés biologiques sont utilisés pour le traitement secondaire des eaux résiduaires
urbaines et industrielles. Dans leur configuration de base, ils sont essentiellement employés
pour l’élimination des composés carbonés présents sous forme soluble tels que sucres,
graisses, protéines, etc, pour lesquels les solutions par voie physico-chimique sont souvent
peu efficaces, coûteuses ou difficiles à mettre en œuvre. Ceux-ci sont nocifs pour
l'environnement puisque leur dégradation implique la consommation de l'oxygène dissous
dans l'eau et nécessaire à la survie des animaux aquatiques. Le but des traitements biologiques
est d’éliminer la pollution organique soluble au moyen de micro-organismes, bactéries
principalement. Les micro-organismes hétérotrophes, qui utilisent la matière organique
comme source de carbone et d’énergie, ont une double action :
  La matière organique est en partie éliminée sous forme gazeuse lors de la
minéralisation du carbone avec production de CO2 dans les procédés aérobies et de
biogaz (CO2 + CH4) dans les procédés anaérobies,
 et en partie transformée en particules solides constituées de micro-organismes issus de
la multiplication bactérienne. Ces particules peuvent être facilement séparées de la
phase liquide par des moyens physico-chimiques tels que la décantation par exemple.

Si nécessaire, la transformation des ions ammonium (NH4+) en nitrate (NO3-) ou nitrification

peut être réalisée simultanément.

Ces procédés peuvent aussi permettre d’éliminer l’azote et le phosphore par voie biologique
moyennant la mise en œuvre d’étapes supplémentaires dans la filière de traitement : mise en
place d’un bassin d’anoxie, d’un bassin d’anaérobie, ….

Les différents procédés utilisés peuvent être classés en fonction des conditions d’aération et
de mise en œuvre des micro-organismes. Ainsi, on distingue :

 les procédés aérobies à cultures libres ou boues activées,

 les procédés aérobies à cultures fixées,
 les procédés anaérobies à cultures libres,
 les procédés anaérobies à cultures fixées.

Les systèmes biologiques

Les boues activées (BA) : Dans cette méthode, le traitement des eaux est réalisé par des
microorganismes, les bactéries qui se nourrissent de matières polluantes, mais il faut leur
apporter de l'oxygène (par des apports d'air) pour leur permettre d'assimiler les polluants.
Suivant ce que l'on veut traiter, on utilise différentes bactéries soit pour :
- traiter le carbone (transformer le carbone en CO2),
- transformer l’azote en nitrates puis les nitrates en azote gaz,
- stocker le phosphore.
Elimination du carbone

La boue activée est constituée

essentiellement de bactéries et de
protozoaires, parfois de
champignons, de rotifères et de
nematodes. Les bactéries y
constituent le groupement le plus
important, responsable
principalement de l'élimination de
la pollution d'une part et de la
formation des flocons d'autre
part. La nature des composés
organiques constituant la pollution
influe naturellement sur le genre
dominant , de même les conditions du milieu : P.H, température, oxygène dissous...
C'est dans le milieu où elle vit que la cellule va chercher les substances indispensables au
maintien du rythme de ses activités.

Les cellules autotrophes sont capables de

transformer l'eau, le gaz carbonique et les sels
minéraux en leur propre substance en prenant
l'énergie nécessaire dans le milieu extérieur et
synthétisant ainsi des réserves utilisables à
n'importe quel moment constituant ainsi une
énergie potentielle accumulée. Les cellules
hétérotrophes, au contraire, sont incapables
d'effectuer cette synthèse et utilisent des
substances nutritives qu'elles oxydent en
matériaux plus simples, l'énergie ainsi libérée est
utilisée directement aux besoins de la cellule. Il
s'agit ici de dégrader la matière nutritive et
d'utiliser l'énergie ainsi dégagée.

Pour l'élimination du carbone dans les effluents la voie aérobie est utilisée car l'oxygène est
associé aux réactions de dégradation et elles s'instaurent spontanément dans les eaux
suffisamment aérées. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse.

D'une façon générale, il est possible de schématiser la dégradation du glucose par exemple :

C6 H12 O6 6C02 + 6H2O + 650 cal/mol

Le processus de dégradation de la matière carbonée est plus rapide en aérobiose et la
bactérie est plus active que les organismes plus évolués. Il s'ensuit que la vitesse de
reproduction s'accentue en fonction de la concentration en matières nutritives du milieu.
Sous de bonnes conditions de température et d'oxygénation, on peut observer une division
cellulaire en 15 à 30 minutes.

Les principaux substrats nutritifs de ces bactéries sont les protides, les glucides, les lipides
mais elles peuvent s'adapter à la consommation d'autres substrats organiques tels que
alcools, phénols aldéhydes, hydrocarbures...

Une culture bactérienne passe donc par différentes phases de croissance et décroissance.

Les micro - organismes s'adaptent au milieu nutritif dans une phase de latence. La vitesse de
croissance est nulle ou faiblement positive ; lorsque le taux de reproduction cellulaire atteint
son maximum en présence d'une concentration non limitante en substrat, on parle de
croissance exponentielle ; celle-ci sera stoppée par une diminution de la concentration du
substrat qui diminue la vitesse de croissance, l'annule et la fait même régresser au cours
d'une phase ralentie ; l'absence de matière nutritive provoque une diminution de la masse
des micro - organismes, c'est la phase de respiration endogène qui se produit à l'intérieur
même de l'organisme sans apport extérieur.

Pour assurer un traitement secondaire efficace à savoir l'élimination de la pollution

carbonée, le schéma paraît donc relativement simple : une culture bactérienne riche en
hétérotrophes et bien oxygénée suffit à dégrader par voie oxydative la matière organique
accumulée dans les E.R.U. Mais la croissance bactérienne nécessite la présence d'autres
éléments nutritifs en particuliers l'azote et le phosphore contenus dans les effluents et dont
l'élimination est également nécessaire
Elimination de l'azote

L'azote et le phosphore représentent un pourcentage non négligeable de la masse

bactérienne. Les valeurs moyennes sont de 7 à 10 % pour l'azote de 2 à 3 % pour le
phosphore. Leurs rôles sont multiples dans la cellule au niveau de la structure et du
métabolisme.

Les eaux résiduaires

contiennent différents
composés azotés : protéines,
urée et produits de
décomposition ainsi que de
l'azote sous forme minérale.
Son élimination biologique
se réalise en deux étapes qui
sont chronologiquement la
nitrification et la
dénitrification. Parallèlement
une partie de l'azote est utilisée pour la synthèse bactérienne par assimilation.

La nitrification consiste en l'oxydation de l'azote organique sous forme d'un ammoniac

(NH+4) en nitrite (NO-2) puis en nitrate (NO-3) par l'intermédiaire de micro - organismes
autotrophes :

NH+4 NO-2 NO-3

Ces bactéries autotrophes utilisent le carbone minéral pour constituer leur cellules, elles
peuvent effectuer une synthèse . Mais leur taux de croissance est moins rapide que celui des
bactéries dégradant la pollution carbonée.

Il faut donc prendre les mesures afin de réaliser un équilibre en ramenant le taux de
croissance des bactéries hétérotrophes par diminution de la charge carbonée. L'âge des boues
exprimé en jours et la température ambiante ont un effet certain sur la nitrification.

La nitrification demande des besoins en oxygène supplémentaires, il joue en effet le rôle

d'accepteur.

La dénitrification est un processus dans lequel certaines bactéries réduisent l'azote nitrique
en un état plus faible d'oxydation. C'est l'œuvre de bactéries hétérotrophes utilisant
l'oxygène aussi libéré à dégrader le carbone organique nécessaire à leur croissance. On
comprendra que ce type de réaction ne peut avoir lieu qu'en milieu pauvre en oxygène, sa
présence inhiberait la dénitrification. En effet les bactéries hétérotrophes tirent leur énergie
de celle libérée par le transfert des électrons des composés organiques vers NO-2 ou NO-3 .
La dénitrification est donc proportionnelle à la quantité de substrat utilisé et inversement
proportionnelle à la quantité d'oxygène dissous, celui-ci devenant accepteur final préférentiel
par rapport à NO-2 ou NO-3.

Les équations globales simplifiées peuvent s'écrire :

 La nitrification en phase aérobie :

NH4+ + 2O2 NO-3 + 2H+ + H2O

 La dénitrification en phase anaérobie :

NO-3 + 6H+ + 5 e- ½ N2 + 3 H20

Elimination du phosphore

Constituant des cellules au même titre que l'azote, le phosphore intervient principalement
dans les mécanismes de stockage ou de libération de l'énergie. En effet, les recherches sur la
possibilité d'effectuer une déphosphatation biologique ont mis en évidence que des boues
activées non aérées relarguaient du phosphore et que dès que la concentration en oxygène
remontait, elles le réabsorbaient.

L'élimination du phosphore est une activité du traitement tertiaire, elle est importante. En
effet, dans l'eau, le phosphore se retrouve naturellement à l'état minéral mais à faible
concentration (0,01 mg/l). Mais l'utilisation " massive " de phosphates dans la fabrication des
produits d'entretien et en agriculture pose des problèmes d'équilibre au milieu aquatique. Si
les phosphates ne sont pas directement nocifs, leur action est cependant néfaste de par la
prolifération des algues qu'ils génèrent à la surface de l'eau limitant considérablement les
échanges avec l'air et l'énergie solaire. Il contribue ainsi à l'eutrophisation des eaux.
 Le
principe
de la

déphosphatation biologique consiste en une suraccumulation de phosphore dans la biomasse.

Si des teneurs de 2 à 3 % en phosphore dans les boues sont obtenues sous des conditions
normales et correspondent aux besoins des bactéries, le mécanisme de suraccumulation
nécessite de placer la biomasse alternativement en phase anaérobie et aérobie.

En phase anaérobie des bactéries acétogènes anaérobies facultatives utilisent le carbone

organique pour produire de l'acétate. (Dans les organismes vivants, il est le point de passage
obligé entre le métabolisme des glucides et celui des lipides).

Celui-ci est réutilisé par d'autres bactéries aérobies qui ne peuvent utiliser qu'une gamme de
substrats plutôt limitées. Elles stockent celui-ci et l'énergie utilisée pour ce stockage provient
de l'hydrolyse du polyphosphate ce qui explique la phase de relargage de phosphate dans le
milieu.

En phase aérobie, ces mêmes bactéries trouvent dans l'oxygène les accepteurs d'électrons
nécessaires à leur métabolisme, les stocks engrangés sont utilisés pour leur croissance et la
reconstitution de leur réserve en polyphosphate.

Cette réabsorption est plus importante que ce qui avait été relargué en anaérobiose. Ainsi par
succession de phases anaérobies - aérobies, on peut obtenir une accumulation progressive du
phosphore dans ces micro - organismes jusqu'à des valeurs pouvant atteindre 10 % de leur
poids sec.

Tout ce processus conduit à assurer une élimination du phosphore de l'ordre de 50 à 65 %

dans les eaux à traiter. Cette limite impose qu'on envisage des solutions complémentaires où
la part de phosphore restante sera précipitée par l'ajout d'un réactif.
L'élimination du phosphore peut être réalisée par un traitement physico - chimique basé sur la
capacité qu'à le chlorure ferrique Fe Cl3 de se combiner avec les ions phosphates pour former
un précipité de phosphate de fer Fe PO4, sel très peu soluble dans l'eau et qui précipite à l'état
colloïdal dont on connaît la difficulté à décanter. Ce précipité est absorbé par un excès
d'hydroxyde métallique Fe (OH)3 (Nom générique des bases qui renferme des groupements

OH-). Cela impose des concentrations relativement importantes à mettre en œuvre. Ainsi pour
éliminer 1 g de phosphore il faut 5,2 à 15,7 g de chlorure ferrique pur.

Pour la station de Péruwelz, ce procédé implique l'utilisation de :

 445 kg de Fe Cl3 par jour pour une production de Fe PO4 de

 103 kg et de Fe (0H)3 de 45 kg par jour.

On comprendra que l'alternance de phase a un intérêt dans tous les cas d'élimination des
agents polluants.

Elle permet de réguler l'élimination du carbone organique nécessaire à toutes les étapes du
traitement ainsi que la prolifération des micro - organismes responsables de son élimination.

Elle apporte l'oxygène nécessaire à la nitrification tout en permettant ensuite la dénitrification

en zone anaérobie.

Elle renforce l'accumulation du phosphore dans les micro - organismes en zone aérobie. Il
apparaît que c'est dans cette zone qu'il est opportun de placer le déversoir permettant à la
liqueur mixte de quitter le réacteur pour passer au clarificateur. De là, la position de la
chambre en aval du bassin d'aération

La séparation de l’eau traitée de la masse des bactéries (que l’on appelle «

boues ») se fait dans un bassin spécifique : le "clarificateur".
Pour conserver un stock constant et suffisant de bactéries dans le bassin de
boues activées, une grande partie des boues extraites du clarificateur est
ensuite renvoyée dans le bassin.
La plupart des stations d’épuration municipales fonctionnent selon ce principe.
Le décantateur-digesteur : Les matières en suspension tombent par gravité,
décantation. Les microorganismes se développent naturellement.
Les filtres à sable (FS) : L’eau traverse un massif de sable qui la filtre, des
bactéries épuratrices se développent et complètent cette filtration.
Les filtres à roseaux : Les eaux usées sont traitées dans un bassin à deux
étages de graviers planté de roseaux. Les bactéries agissent au niveau des
graviers, la présence des roseaux permet d'aérer les eaux .

Les procédés biologiques à cultures fixées : les biofiltres et les lits bactériens Le principe de
ces procédés consiste à faire percoler l’eau à traiter à travers un matériau sur lequel les
bactéries se développent constituant alors un biofilm sur ce support.
- lit bactérien (des galets ou des supports alvéolaires) : les eaux usées décantent sur un lit
bactérien poreux L'aération est donnée par l'oxygène de l'air.
Le biofilm qui se forme se détache et tombe au fur et à mesure de sa formation.

Lit bactérien :

L’épuration des eaux par lit bactérien est une méthode d’épuration biologique par cultures
fixées. Ce système est le plus souvent utilisé pour les eaux très chargées provenant
d’industries agroalimentaires, d’apport viticole ou autres…

Description

Cette technique consiste à faire supporter les micro-organismes épurateurs par des matériaux
poreux ou caverneux. L'eau à traiter est dispersée en tête de réacteur, traverse le garnissage et
peut être reprise pour une re-circulation. Dans les lits bactériens (ou filtres bactériens ou bio-
filtre), la masse active des micro-organismes se fixe sur des supports poreux inertes ayant un
taux de vide d'environ 50% (minéraux, comme la pouzzolane et le coke métallurgique,
plastiques, les roches volcaniques, les cailloux) à travers lesquels on filtre l'effluent à traiter.

Pour ne pas avoir un colmatage rapide de la culture bactérienne, il faut effectuer les
opérations de pré-traitement suivantes : dégrillage, dessablage, dégraissage et décantation
primaire (décanteur-digesteur). Puis, l'effluent (eau à traiter) est réparti aussi uniformément
que possible (dispersion en pluie par une grille de répartition rigoureusement plane) à la
surface du filtre.

Ensuite l’effluent (eaux à traiter) va être aspergé sur le lit bactérien grâce à un gicleur, là les
bactéries aérobies vont minéraliser la matière organique en suspension. L'aération dans le lit
bactérien est réalisée par tirage naturel ou par ventilation. Ainsi, une aération abondante, par
le sommet et le bas du massif filtrant provoque sur ce dernier le développement d'une flore
microbienne aérobie, de plus, la percolation lente de l’effluent rend le processus d'oxydation
efficace.

Lorsque la pellicule bactérienne devient trop importante, elle se détache naturellement; elle
doit alors être séparée de l'effluent par décantation. L’eau va donc dans un décanteur
secondaire (ou clarificateur) afin d’éliminer les éventuelles boues restantes

- les bio filtres (des argiles cuites, des schistes, dupolystyrène, des graviers ou des sables), le
Développement des bactéries se fait sur des disques. Lebiofilm obtenu dans ce cas reste
accroché aux filtres.