Incidence de la température sur l’oxygène dissous et l’activité biologique dans les systèmes de traitement des eaux usées

Toute personne qui a passé du temps à étudier, concevoir ou exploiter les systèmes de traitement des eaux usées finit par se tourner vers certaines références fiables. Pour nous, un de ces ouvrages a toujours été Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery. Non pas parce qu’il est facile à lire, mais parce qu’il explique de façon cohérente pourquoi les systèmes se comportent tels qu’ils le font, en particulier lorsque la réalité ne correspond pas tout à fait aux attentes.

La température est un exemple parfait de ce « pourquoi ». Elle est mesurée chaque jour et est rarement remise en question, mais elle contrôle discrètement deux des aspects les plus critiques du traitement aérobie : la quantité d’oxygène qui peut être physiquement dissoute dans l’eau et la vitesse à laquelle les micro-organismes la consomment. Lorsqu’il y a un changement de température, ces deux effets évoluent dans des directions opposées, façonnant la performance du système telle que les exploitants l’observent sur le terrain et que les étudiants l’étudient sur le papier.

Voici une remarque que nous entendons souvent lors de l’optimisation des systèmes biologiques : « Rien n’a changé et je commence à avoir du mal à contrôler mon oxygène dissous et ma biomasse, que se passe-t-il? » La réponse est souvent que l’on néglige le changement de température dans le système biologique et son incidence sur l’élimination de la charge.

Cet article se penche sur ces interactions en s’appuyant sur des relations bien établies qui démontrent comment la température a une incidence directe sur les systèmes de traitement biologique.

La température et la disponibilité de l’oxygène dissout

La disponibilité de l’oxygène dissous dans un bassin d’aération est fondamentalement limitée par l’équilibre gaz-liquide. La solubilité de l’oxygène dans l’eau suit la loi de Henry, qui relie la concentration d’un gaz dissous à sa pression partielle dans l’air au-dessus du liquide. Lorsque la température de l’eau augmente, la pression de vapeur de l’eau augmente également, ce qui réduit la solubilité des gaz, tels que l’oxygène.

En termes simples, l’eau plus chaude ne peut pas contenir autant d’oxygène dissous que l’eau plus froide. Il s’agit d’une contrainte physique et non d’un problème opérationnel. Quels que soient la taille des soufflantes, l’état des diffuseurs ou l’intensité du mélange, il existe une limite maximale quant à la quantité d’oxygène pouvant être dissoute à une température donnée.

Les données expérimentales relatives à la saturation en oxygène dissous illustrent clairement cet effet. Dans la plage de température généralement présente dans le traitement des eaux usées, la solubilité de l’oxygène diminue de manière non linéaire à mesure que la température augmente. En conséquence, la concentration maximale d’oxygène dissous pouvant être atteinte diminue, et la force motrice du transfert d’oxygène de l’air vers l’eau est réduite.

Pour les exploitants, cela aide à expliquer pourquoi il devient plus difficile de maintenir le même point de consigne d’oxygène dissous dans des conditions chaudes, même lorsque l’équipement d’aération fonctionne normalement. Pour les étudiants et les ingénieurs, cela renforce la raison pour laquelle des corrections de température sont intégrées dans les calculs de conception du transfert d’oxygène et de l’aération.

La température et l’activité biologique

Alors que l’oxygène devient moins accessible, l’activité biologique dans les systèmes de traitement aérobie accélère avec l’augmentation de la température. La prolifération microbienne, l’utilisation des substrats, la respiration endogène et la consommation d’oxygène dépendent toutes de la température et sont généralement décrites à l’aide de la relation d’Arrhenius. 

Relation d’Arrhenius

Cette équation ajuste les taux de réaction biologique à partir d’une température de référence, généralement 20 °C, aux conditions d’exploitation réelles. Elle est largement utilisée dans le traitement des eaux usées pour décrire la vitesse à laquelle les micro-organismes consomment les substrats et l’oxygène lorsque la température change.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la loi d’Arrhenius, voici un article qui traite plus en détail de cette relation : Article en ligne

Concrètement, des conditions plus chaudes entraînent un métabolisme microbien plus rapide et une consommation d’oxygène plus élevée. Même lorsque le débit et la charge d’affluent restent inchangés, la biomasse aura besoin de plus d’oxygène à mesure que la température augmente. Cette augmentation du taux d’absorption d’oxygène est fréquemment observée pendant les périodes de fonctionnement chaudes et coïncide souvent avec une plus grande difficulté à maintenir les niveaux d’oxygène dissous.

Ce qui peut initialement sembler être une activité biologique robuste ou une amélioration en matière du rendement du traitement peut rapidement se traduire par un stress oxydatif si l’apport en oxygène ne suit pas la demande croissante.

Bilan d’oxygène : apport, demande et contraintes du système

Lorsque l’on considère conjointement les effets de la température sur la solubilité de l’oxygène et la cinétique biologique, le défi opérationnel devient évident. À mesure que la température augmente, la disponibilité de l’oxygène est restreinte par les limites physiques de solubilité, tandis que la demande en oxygène augmente en raison de l’accélération de l’activité biologique. Ces deux forces agissent simultanément et réduisent la marge de manœuvre des systèmes de traitement aérobie.

Du point de vue de l’exploitant, cela explique pourquoi l’oxygène dissous devient plus difficile à contrôler pendant les périodes chaudes, même lorsque les systèmes d’aération semblent inchangés. Les systèmes qui fonctionnent confortablement à des températures plus basses peuvent approcher la limite d’oxygène dans des conditions plus chaudes si la charge est élevée ou si la capacité d’aération est marginale.

Bien que l’augmentation de l’aération soit souvent la première réponse, ce n’est pas toujours la solution la plus efficace ou la plus durable. Dans de nombreux cas, le stress oxydatif peut être réduit plus efficacement en traitant la demande en oxygène en amont du bassin d’aération, plutôt qu’en se concentrant uniquement sur l’apport en oxygène.

Les leviers opérationnels pratiques comprennent :

• Optimiser le traitement chimique en amont afin de réduire la charge organique insoluble et particulaire entrant dans les systèmes biologiques
• Stabiliser la charge d’affluent afin de réduire la demande maximale en oxygène (réservoir d’égalisation)
• Gérer la disponibilité des nutriments, le cas échéant, afin d’éviter une croissance excessive de la biomasse et une consommation inutile d’oxygène

En réduisant la quantité de matières biodégradables atteignant l’étape biologique, la demande en oxygène peut être modérée, rétablissant ainsi l’équilibre sans dépendre excessivement de la capacité d’aération.

Rétablir l’équilibre grâce à un contrôle plus intelligent

Le stress oxydatif lié à la température n’est pas une défaillance biologique ou technique, mais simplement le résultat prévisible de principes physiques et biologiques bien connus. À mesure que la température augmente, l’oxygène dissous devient moins disponible, tandis que la demande biologique en oxygène augmente. La gestion des performances du traitement aérobie nécessite donc de maintenir un équilibre, et non pas simplement d’ajouter davantage d’air.

C’est là qu’une approche systémique devient essentielle. Chez Aquasan, nous sommes fiers de nos connaissances et de notre capacité à intégrer les connaissances chimiques dans une approche stratégique plus large. En améliorant l’efficacité de l’élimination en amont du bassin d’aération et en réduisant la charge organique entrant dans le traitement biologique, la demande en oxygène peut être contrôlée à la source. Il en résulte une meilleure stabilité du processus, une intensité énergétique plus faible et une plus grande flexibilité opérationnelle face aux variations saisonnières de température.

Aquasan peut fournir une aide technique et les connaissances nécessaires à votre équipe pour qu’elle puisse prévoir l’impact des changements de température sur votre système de traitement des eaux usées. Des visites régulières sur site et un suivi complet permettront à notre équipe d’évaluer les conditions environnementales et opérationnelles actuelles, ce qui permettra de perfectionner l’application des produits chimiques pour garantir une performance optimale. Si vous êtes confronté à des problèmes saisonniers, contactez nos experts. Nous pouvons vous aider à surmonter ces défis grâce à notre expertise et à un soutien sur mesure, en réglant vos problèmes opérationnels et en optimisant votre processus de traitement tout au long de l’année.