Introduction

Le traitement biologique anaérobie est un procédé largement utilisé pour dégrader les polluants organiques en l'absence d'oxygène, produisant du méthane (CH₄) et du dioxyde de carbone (CO₂) comme sous-produits. Cette méthode est très efficace pour la stabilisation des eaux usées et des boues à haute concentration, offrant des avantages tels qu'une faible consommation d'énergie et une production minimale de boues. Cependant, sa performance dépend de plusieurs facteurs critiques :

(1) température, (2) pH, (3) taux de charge organique (OLR), (4) équilibre nutritif, (5) potentiel d'oxydoréduction (ORP), (6) alcalinité, (7) substances toxiques et (8) temps de rétention hydraulique (HRT).

La compréhension de ces facteurs est essentielle pour optimiser la stabilité du processus et l’efficacité du traitement.

Temps de rétention hydraulique (TRH)

Il est essentiel de garantir à la fois le temps de rétention hydraulique (TRH) et le temps de rétention des solides (TRS) dans le traitement biologique anaérobie. Le TRH est lié à la nature des polluants organiques présents dans les eaux usées à traiter : les composés organiques simples de faible masse moléculaire nécessitent un TRH plus court, tandis que les composés organiques macromoléculaires complexes nécessitent un TRH plus long. Dans les procédés de traitement biologique anaérobie, le TRS est généralement prolongé afin de garantir une biomasse suffisante dans le réacteur.

Une charge hydraulique excessive entraînant un TRH trop court peut entraîner l'élimination des micro-organismes du réacteur. Par conséquent, tenter de traiter les eaux usées à faible concentration par des procédés de culture en suspension comme l'UASB dans des conditions de TRH court est souvent peu pratique. Appliquer économiquement la technologie anaérobie aux faibles concentrations Traitement des eaux usées, il est nécessaire d'augmenter le rapport SRT-HRT, c'est-à-dire en augmentant la biomasse dans le réacteur.

L'influence du HRT sur les processus anaérobies se reflète principalement dans la vitesse d'écoulement ascendant. D'une part, une vitesse d'écoulement plus élevée peut améliorer la turbulence dans la zone d'entrée du système d'assainissement, favorisant ainsi le contact entre les boues biologiques et la matière organique de l'entrée et augmentant l'efficacité d'élimination des matières organiques. Lors de l'utilisation d'UASB conventionnels pour le traitement des eaux usées, une vitesse d'écoulement ascendant d'au moins 0,5 m/h est généralement requise pour favoriser la formation de boues granulaires. D'autre part, pour maintenir un volume suffisant de boues dans le système, la vitesse d'écoulement ascendant ne doit pas dépasser une certaine limite ; sinon, la hauteur du réacteur anaérobie deviendrait trop élevée. En particulier dans le traitement anaérobie des eaux usées à faible concentration, le HRT est un paramètre de contrôle de procédé plus critique que la charge organique.

Traitement biologique anaérobie des eaux usées

Taux de charge organique

1. Le taux de charge organique (TCO) d'un bioréacteur anaérobie fait généralement référence au taux de charge volumétrique, qui affecte directement l'efficacité du traitement et la production de biogaz. Dans une certaine plage, plus le TCO augmente, plus la production de biogaz augmente. Cependant, une augmentation du TCO raccourcit inévitablement le temps de rétention, ce qui réduit le taux de décomposition de la matière organique entrante et, par conséquent, la production de biogaz par unité de masse de matière organique.

2. Le fonctionnement stable d'un système de traitement anaérobie dépend de l'équilibre entre les taux d'acidogénèse et de méthanogénèse. Si l'OLR est trop élevé, le taux de production d'acide peut dépasser le taux de consommation d'acide par les méthanogènes, ce qui entraîne une accumulation d'acides gras volatils (AGV) et une chute rapide du pH, inhibant ainsi la méthanogénèse. Dans les cas les plus graves, la production de méthane peut cesser, provoquant l'effondrement de l'ensemble du système, rendant la récupération et l'ajustement extrêmement difficiles.

3. Si l'augmentation de l'OLR est due à un débit d'entrée plus élevé, une charge hydraulique excessive peut entraîner un taux de lavage des boues supérieur à son taux de croissance, réduisant ainsi davantage l'efficacité du traitement du système.

4. Si l'OLR entrant est trop faible, même si le rendement en biogaz et l'efficacité d'élimination organique peuvent s'améliorer, le taux d'utilisation de l'équipement diminue, ce qui entraîne des coûts d'investissement et d'exploitation plus élevés.

Nutriments

Comparés aux procédés aérobies, les procédés anaérobies réduisent significativement la synthèse de biomasse microbienne, diminuant ainsi proportionnellement les besoins en nutriments autres que l'azote. Outre l'azote (N) et le phosphore (P), certains composés soufrés (par exemple, les sulfates) et certains oligo-éléments jouent un rôle crucial dans l'activation des méthanogènes. Bien que les méthanogènes aient des besoins spécifiques en soufre et en phosphore, de très faibles concentrations de ces éléments dans le réacteur sont généralement suffisantes. Cependant, les concentrations d'azote doivent généralement être maintenues entre 40 et 70 mg/L pour maintenir l'activité méthanogène.

Tous les micro-organismes ont besoin de métaux traces, mais leur concentration dans le traitement biologique anaérobie peut avoir un impact significatif sur les performances opérationnelles. Le fer (Fe), le cobalt (Co), le nickel (Ni) et le zinc (Zn) sont les métaux traces les plus fréquemment signalés comme ayant des effets activateurs, tandis que certaines études suggèrent que le tungstène (W), le manganèse (Mn), le molybdène (Mo), le sélénium (Se) et le bore (B) pourraient également stimuler le métabolisme du méthanogène.

Le méthane est produit par différentes espèces de méthanogènes, chacune ayant des besoins environnementaux et en métaux traces spécifiques. L'expérience opérationnelle montre qu'une carence en un seul métal trace peut gravement perturber l'ensemble du processus de traitement biologique. Si les métaux traces ne peuvent à eux seuls résoudre tous les problèmes opérationnels du traitement anaérobie, leur présence est une condition préalable fondamentale. De nombreux systèmes de traitement anaérobie des eaux usées industrielles n'atteignent pas les performances attendues en raison de carences en un ou plusieurs métaux traces. Par conséquent, l'apport de métaux traces doit être considéré comme un ajustement opérationnel nécessaire.

Les micro-organismes anaérobies ont besoin d'un ratio spécifique de carbone (C), d'azote (N), de phosphore (P) et d'autres oligo-éléments pour leur croissance et leur reproduction. Cependant, comme les micro-organismes anaérobies utilisent le carbone moins efficacement que les micro-organismes aérobies, le ratio C:N:P recommandé dans les systèmes anaérobies est généralement DCO _Cr :N:P = (200–300):5:1. De plus, selon les conditions spécifiques, des oligo-éléments essentiels tels que les sulfures, le fer, le nickel, le zinc, le cobalt et le molybdène peuvent nécessiter une supplémentation.

L'apport de sources d'azote dans le traitement anaérobie favorise non seulement la synthèse de la biomasse microbienne, mais améliore également le pouvoir tampon du réacteur. Un apport insuffisant d'azote (rapport C/N élevé) peut ralentir la prolifération des microbes anaérobies et réduire le pouvoir tampon, entraînant une baisse du pH. À l'inverse, un excès d'azote (rapport C/N faible) entraîne une accumulation d'azote, augmentant ainsi le pH. Un pH supérieur à 8 inhibe l'activité méthanogène, réduisant ainsi l'efficacité de la digestion.

Potentiel d'oxydoréduction (ORP)

Un environnement anaérobie est l'une des conditions fondamentales de la croissance et de la reproduction des méthanogènes strictement anaérobies. Contrairement aux bactéries aérobies, les méthanogènes sont dépourvus de catalase, ce qui les rend très sensibles à l'oxygène et aux agents oxydants. La concentration en oxygène dissous dans l'eau peut être représentée indirectement par le potentiel d'oxydoréduction (ORP).

En digestion anaérobie, la phase non méthanogène peut se dérouler dans des conditions facultatives avec un potentiel d'oxydoréduction compris entre +100 mV et -100 mV. Cependant, le potentiel d'oxydoréduction critique pour la phase méthanogène est de -200 mV. Pour la digestion mésophile ou à température ambiante, le potentiel d'oxydoréduction doit être maintenu entre -300 mV et -350 mV, tandis que pour la digestion thermophile, il doit être contrôlé entre -560 mV et -600 mV.

Bien que la teneur en oxygène dissous dans la liqueur mixte soit un facteur majeur affectant l'ORP dans les réacteurs anaérobies, ce n'est pas le seul. D'autres facteurs, tels que la concentration en acides gras volatils (AGV), les fluctuations de pH et la concentration en ions ammonium, peuvent également influencer les variations de l'ORP. Par exemple, un pH plus bas correspond à un ORP plus élevé, tandis qu'un pH plus élevé entraîne un ORP plus faible.