Optimisation des systèmes à boues activées – L’importance du rapport C:N:P et comment le maintenir

Le traitement biologique des eaux usées repose sur un écosystème hautement spécialisé de micro-organismes responsables de la dégradation des polluants organiques. Dans les systèmes à boues activées, il est essentiel de préserver la santé et la productivité de cette biomasse pour assurer la conformité réglementaire et l’efficacité opérationnelle. La disponibilité des nutriments est la pierre angulaire de la santé biologique.

Tout comme les êtres humains, les bactéries qui sont présentes dans les usines de traitement des eaux usées ont besoin d’un régime équilibré en carbone, azote et phosphore pour se développer, se reproduire et former des flocs stables. Lorsque cet équilibre est rompu, le rendement opérationnel peut en pâtir. C’est pourquoi comprendre le rapport C:N:P, qui est de 100:5:1, est essentiel pour l’optimisation d’un procédé biologique. Dans cet article, nous apprendrons à diagnostiquer les déséquilibres potentiels et passerons en revue les calculs nécessaires pour rétablir cet équilibre.

L’importance stratégique du rapport de nutriments de 100:5:1

Les micro-organismes consomment des nutriments selon des proportions très prévisibles pour assurer la synthèse de nouvelles cellules (bactéries) et alimenter les processus métaboliques. Dans le traitement biologique aérobie, la formule empirique généralement reconnue pour la biomasse bactérienne est C₅H₇O₂NP_0.19

Pour soutenir cette composition cellulaire, les eaux usées entrantes doivent apporter des macronutriments dans des proportions adéquates. Sur le plan industriel, la norme de référence pour le traitement aérobie est un rapport de 100:5:1 de carbone (demande biochimique en oxygène), d’azote et de phosphore (C(DBO)/N/P).

• carbone (DBO) – 100
• azote (N) – 5
• phosphore (P) – 1

Lorsque les taux d’azote ou de phosphore descendent en dessous de ce seuil, le système biologique commence à subir un certain stress. Lorsque cela se produit, les problèmes suivants peuvent apparaître.

• Croissance excessive des bactéries filamenteuses – Certaines bactéries filamenteuses se développent dans des milieux pauvres en nutriments. Lorsqu’elles ont la possibilité de se multiplier, elles peuvent prendre le dessus sur les bactéries favorables au système. Lorsque leur prolifération devient excessive, les bactéries filamenteuses peuvent nuire à la décantation des boues dans le décanteur secondaire, favoriser l’entraînement de matières en suspension (MES) vers l’effluent final et entraîner un dépassement des normes de rejet.
• Croissance de gélifiants non bactériens (foisonnement visqueux) – En cas de carence sévère en nutriments, les bactéries continuent à consommer du carbone, mais sont incapables de synthétiser de nouvelles cellules. Lorsqu’une telle situation se produit, elles commencent à produire en excès un polysaccharide extracellulaire, une substance très visqueuse semblable à de la « slime ». Sa présence empêche la sédimentation et favorise une production accrue de mousse.
• Faible efficacité de l’élimination de la DBO – En l’absence de nutriments suffisants, les voies métaboliques s’arrêtent, le carbone n’est pas consommé et les niveaux de DBO commencent à augmenter dans les effluents rejetés.

À l’inverse, un excès voire un surdosage de nutriments (lorsqu’on fait preuve de « précaution excessive ») peut entraîner toute une autre série de problèmes. En voici quelques-uns.

• Amendes réglementaires – L’azote et le phosphore non utilisés se retrouveront directement dans les effluents, ce qui peut entraîner des infractions aux normes relatives à l’azote total et au phosphore total.
• Eutrophisation de l’environnement – Les effluents riches en nutriments qui sont rejetés dans les cours d’eau récepteurs peuvent provoquer des proliférations massives d’algues, épuisant ainsi l’oxygène dissous et détruisant les écosystèmes aquatiques.
• Gonflement des coûts d’exploitation – Les produits chimiques de base peuvent représenter une part importante du budget d’exploitation d’une usine. Le gaspillage de produits chimiques peut donc nuire au revenu net.

 Dépister un déséquilibre en nutriments

Pour s’assurer qu’un système ne souffre pas d’un déséquilibre en nutriments, les opérateurs doivent surveiller régulièrement l’apport en nutriments entrant dans le réacteur biologique. Cela nécessite souvent l’analyse de la demande biologique en oxygène (DBO5), de l’azote total Kjeldahl (TKN) ou de l’azote ammoniacal (NH3-N), ainsi que de l’orthophosphate (PO4-P) de l’affluent. Des calculs sont ensuite effectués afin de vérifier si leurs rapports se situent dans la plage admissible. Un exemple illustrant les calculs requis est fourni ci-dessous.

Prenons l’exemple d’une usine de traitement d’eau dont les paramètres de fonctionnement sont les suivants :

• Débit des eaux usées entrantes : 3,800 m³/jour
• DBO des eaux usées entrantes : 450 mg/L
• Azote (N) disponible des eaux usées entrantes : 11 mg/L
• Phosphore (P) disponible des eaux usées entrantes : 2.1 mg/L

1. Calcul de la « charge quotidienne en carbone » ou de la « charge massique en DBO »

Charge massique en DBO = débit x concentration en DBO

Charge massique en DBO (kg/jour) = 3,800 m3/jour x 450 g/m3 = 1 710 000 g/jour ou 1,710 kg/jour

2. Calcul des besoins « cibles » en azote selon le rapport 100:5:1

Besoin cible en azote (N (kg/jour)) = Charge massique en DBO x (5/100)

Besoin cible en azote = 1710 kg/jour x (5/100) = 85.5 kg/jour

3. Calcul des besoins « cibles » en phosphore

Besoin cible de Phosphore (P (kg/jour)) = Charge massique en DBO x (1/100)

Besoin cible de Phosphore = 1710 x (1/100) = 17.1 kg/jour

4. Calcul de la charge massique « réelle » en azote disponible

Charge réelle en « azote » (N (kg/jour)) = débit d’affluent x azote disponible dans l’affluent (N)

Charge réelle en « azote » = 3800 m3/jour x 11 g/m3 = 41,800 g/jour or 41.8 kg/jour

5. Calcul de la charge massique « réelle » en phosphore

Charge réelle en « phosphore » (P (kg/jour)) = débit d’affluent x phosphore disponible dans l’affluent (P)

Charge réelle en « phosphore » = 3,800 m3/jour x 2.1 g/m3 = 7980 g/jour ou 7.98 kg/jour

6. Évaluation des carences en nutriments (valeurs cibles vs valeurs réelles)

Déficit en azote = 85.5 kg/jour – 41.8 kg/jour = 43.7 kg/jour (insuffisance)

Déficit en phosphore = 17.1 kg/jour – 7.98 kg/jour = 9.12 kg/jour (insuffisance)

Il ressort de ce qui précède que le diagnostic est clair: ce système présente une carence à la fois en azote et en phosphore. Compte tenu de cette conclusion, un apport supplémentaire en éléments chimiques sera nécessaire pour éviter un déséquilibre biologique.

Produits chimiques commerciaux destinés à la supplémentation en nutriments

Lorsqu’elles choisissent des suppléments chimiques, les installations industrielles doivent trouver un équilibre entre la pureté chimique, la sécurité de manipulation, la stabilité à l’entreposage et la rentabilité. Vous trouverez ci-dessous une liste de quelques-uns des produits chimiques les plus courants pouvant être utilisés comme suppléments nutritifs dans les systèmes biologiques.

Sources d’azote

• Urée [CO(NH₂)₂] – Source solide ou liquide hautement concentrée (46 % – N en poids sous forme solide, 28 % – N en forme de solution UAN à 28%).
• Ammoniac anhydre ou aqueux [NH₃ / NH₄OH] – extrêmement réactif et très concentré. Sous sa forme pure, l’ammoniac anhydre nécessite un stockage sous pression et présente de graves risques pour la santé en cas d’inhalation. Les solutions aqueuses d’ammoniac de 19 % à 29 % sont plus sûres, mais aussi corrosives.

Sources de phosphore

• Acide phosphorique [H₃PO₄] – La source industrielle la plus courante, généralement vendue à des concentrations de 75 % ou 85 %. Il s’agit d’un liquide dense qui se mélange facilement, mais qui est très corrosif, ce qui nécessite des réservoirs d’entreposage spécialisés et des pompes doseuses chimiques.
• Phosphate monoammonique (MAP) [NH₄H₂PO₄] et phosphate diammonique (DAP) [(NH4)2HPO] – Un excellent double nutriment sous forme granulaire ou en poudre. Ces produits apportent à la fois de l’azote et du phosphore, ce qui les rend très efficaces pour les systèmes présentant une carence en ces deux éléments.
• Phosphate disodique (DSP) [Na₂HPO₄] – une excellente source d’orthophosphate hautement soluble qui se dissout rapidement par rapport aux autres sels de phosphate, garantissant une biodisponibilité rapide. Il agit également comme un tampon pH doux, empêchant le mélange de devenir trop acide, ce qui peut se produire lors de l’utilisation d’autres sources de nutriments acides.

Supplémentation en nutriments – Calculs de dosage

Pour rétablir l’équilibre, une équipe opérationnelle doit convertir la carence en éléments nutritifs (en kg d’azote ou de phosphore pur) en un débit d’alimentation chimique commercial. Vous trouverez ci-dessous des exemples de ces calculs.

Calcul des besoins en apport d’azote

Carence en azote pur : 43.7 kg/jour

Produit chimique sélectionné : Ammoniac aqueux (29 % m/m NH₃)

Densité du produit chimique : 0.90 kg/L

Commencez par déterminer la fraction d’azote élémentaire dans la molécule de NH_3.

• Poids moléculaire du NH₃: 17 g/mol (14 g/mol d’azote et 3 g/mol d’hydrogène)
• Fraction d’azote dans le NH₃ = (14/17) = 0.824 = 82.4 %

Ensuite, déterminez la masse totale de la solution commerciale nécessaire par jour.

• Masse de NH₃ requise = 43.7/0.824 = 53.03 kg/jour
• Masse d’ammoniac aqueux à 29 % requise = 53.03/0.29 = 182.86 kg/jour
• Volume d’ammoniac aqueux à 29 % requis = 182.86/0.9 kg/L = 203.2 litres/jour

Calcul des besoins en apport de phosphore

Carence en phosphore pur : 9.12 kg/jour

Produit chimique sélectionné : Acide phosphorique de qualité industrielle (75 % m/m H₃PO₄)

Densité du produit chimique : 1.57 kg/L

Commencez par déterminer la fraction de phosphore élémentaire contenue dans le H₃PO₄.

• Poids moléculaire du H₃PO₄ : 98 g/mol (3 g/mol d’hydrogène, 31 g/mol de phosphore et 64 g/mol d’oxygène)
• Fraction de phosphore dans le H₃PO₄ = (31/98) = 0.316 = 31.6 %.

Ensuite, déterminez la masse totale de la solution commerciale nécessaire par jour.

• Masse de P requise (H₃PO₄) = 9.12/0.316 = 28.86 kg/jour
• Masse d’acide phosphorique à 75 % requise = 28.86/0.75 = 38.48 kg/jour
• Volume d’acide phosphorique à 75 % requis = 38.48/1.57 kg/L = 24.5 litres/jour

Compte tenu des renseignements fournis dans ce document, il est facile de conclure qu’une surveillance et un contrôle adéquats du rapport C:N:P de 100:5:1 dans un système à boues activées ne constituent pas simplement un choix, mais bien une nécessité opérationnelle fondamentale. Heureusement, il existe toute une série d’outils de diagnostic et de calculs techniques qui permettent de passer du « dépannage réactif » à une « optimisation proactive »!

Chez Aquasan, nous disposons des produits chimiques et de l’expertise nécessaire pour répondre à ce type de besoin opérationnel. Si votre rapport C:N:P est déséquilibré, appelez-nous. Nous avons peut-être justement la solution qu’il vous faut.

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