Optimiser l’efficacité biologique grâce à l’utilisation stratégique des micronutriments dans les systèmes à boues activées

Dans le traitement des eaux usées industrielles et municipales, les procédés de boues activées sont souvent considérés comme piliers du traitement secondaire. Pour plusieurs, la norme consiste à présumer qu’il est possible de maintenir une performance biologique optimale uniquement grâce à une surveillance rigoureuse et à un contrôle adéquat des macronutriments du système. Plus précisément, il s’agit de maintenir le carbone (DBO), l’azote (N) et le phosphore (P) à des concentrations respectives de 100:5:1. En réalité, il est naïf de penser que la santé des bactéries peut être préservée uniquement grâce à un contrôle adéquat du rapport C:N:P. C’est précisément lorsqu’on se concentre exclusivement sur cet aspect que les faiblesses opérationnelles apparaissent.

En plus des macronutriments, les « micronutriments » doivent être évalués régulièrement et maintenus à des concentrations adéquates. Lorsqu’ils sont présents en quantité suffisante, ces composés, généralement sous forme de métaux traces, sont utilisés pour la synthèse des voies enzymatiques des bactéries nitrifiantes, dénitrifiantes et hétérotrophes. Ils favorisent également la formation de flocs stables et facilement décantables. En cas de carence en micronutriments, la nitrification et la dénitrification s’affaiblissent, la formation de flocs ralentit et une croissance excessive des bactéries filamenteuses peut survenir. De plus, l’efficacité de l’élimination de la DBO diminue, tandis que les opérations de déshydratation nécessitent une consommation accrue de polymères.

Compte tenu de ce qui précède, il est facile de comprendre que la surveillance et le contrôle des micronutriments constituent une exigence essentielle, en particulier lorsque l’on cherche à optimiser le rendement opérationnel.

Les micronutriments et leurs rôles biologiques

Lorsqu’ils sont maintenus à des concentrations adéquates, les micronutriments agissent comme des catalyseurs des processus métaboliques et favorisent le développement de structures cellulaires saines. Ils peuvent également soutenir la production de substances polymériques extracellulaires (EPS), qui constituent la « colle biologique » permettant de lier les bactéries entre elles pour former des flocs robustes et stables. La liste suivante présente des micronutriments particulièrement efficaces pour soutenir ces fonctions ainsi que d’autres activités biologiques prioritaires.

• Fer (Fe) – En termes de sa fonction biochimique, le fer est le pilier de la respiration cellulaire. C’est un composant essentiel des cytochromes, des protéines fer-soufre (clusters Fe-S) et des enzymes catalases, qui sont responsables du transport des électrons et de la défense contre le stress oxydatif. Le fer agit également comme un agent de liaison structurel en favorisant l’attraction entre les groupes fonctionnels chargés négativement sur les parois cellulaires des bactéries (la formation de flocs). Concentration cible dans la liqueur mixte : de 0,5 à 2 mg/L.
• Nickel (Ni) – C’est un cofacteur indispensable aux enzymes microbiennes clés, notamment l’uréase (qui hydrolyse l’urée en ammoniac pour permettre son absorption par les bactéries) et les hydrogénases. Dans les sections anaérobies ou les zones profondes d’un système à boues activées, le nickel est considéré comme un élément essentiel aux voies méthanogènes et à certaines configurations structurelles particulières des enzymes. Concentration cible dans la liqueur mixte : de 0,05 à 2 mg/L.
• Cobalt (Co) – Le cobalt joue le rôle d’atome central dans les coenzymes de la cobalamine (vitamine B12). Ces enzymes agissent comme catalyseurs pour les transferts essentiels de segments de carbone, la synthèse des acides nucléiques et le métabolisme des acides gras au sein de la biomasse hétérotrophe. Sans cobalt, la division cellulaire ralentit, ce qui peut entraîner la formation de flocs fragiles et de faible densité. Concentration cible dans la liqueur mixte : de 0,01 à 0,05 mg/L.
• Le molybdène (Mo) – Un composant structurel essentiel à la formation du nitrate réductase, l’enzyme principale responsable de la conversion du nitrate (NO₃⁻) en nitrite (NO₂⁻) au cours de la dénitrification. Concentration cible dans la liqueur mixte : de 0,05 à 0,1 mg/L.
• Zinc (Zn) – Le zinc joue un rôle à la fois catalytique et structurel dans des centaines de protéines bactériennes. Il stabilise la structure tertiaire des protéines de liaison à l’ADN (« doigts de zinc ») et active des enzymes essentielles, telles que l’anhydrase carbonique, et diverses déshydrogénases responsables de la dégradation des substrats organiques. Concentration cible dans la liqueur mixte : de 0,1 à 0,5 mg/L.
• Cuivre (Cu) – Il est nécessaire à la formation de cytochrome-c-oxydase, un complexe enzymatique terminal de la chaîne de transport d’électrons respiratoire qui réduit l’oxygène moléculaire présent dans l’eau afin que le carbone organique puisse être métabolisé par la biomasse. Concentration cible dans le mélange liquide : 0,02 à 0,1 mg/L.

Les produits chimiques utilisés pour corriger les déséquilibres en micronutriments

Lorsqu’une analyse par spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP) de la liqueur mixte révèle une carence, il convient de recourir à des produits chimiques ciblés pour corriger ce déséquilibre.

De nombreux centres de traitement utilisent des sels inorganiques de haute pureté, car ils sont peu coûteux et se dissolvent rapidement une fois ajoutés. Parmi les additifs les plus couramment utilisés, on trouve :

• Fer : sulfate ferreux heptahydraté (FeSO₄ – 7H₂O) ou chlorure ferrique (FeCl₃)
• Nickel : sulfate de nickel hexahydraté (NiSO₄ – 6H₂O)
• Cobalt : chlorure de cobalt hexahydraté (CoCl₂ – 6H₂O)
• Molybdène : molybdate de sodium dihydraté (Na₂MoO₄ – 2H₂O)
• Zinc : sulfate de zinc heptahydraté (ZnSO₄ – 7H₂O)
• Cuivre : sulfate de cuivre pentahydraté (CuSO₄ – 5H₂O)

Si les eaux usées présentent un pH ou une alcalinité élevée, ou encore des concentrations résiduelles importantes de sulfures, les sels inorganiques peuvent être consommés et précipiter hors de la solution sous forme d’hydroxydes métalliques ou de sulfures métalliques. Lorsque cela se produit, les métaux apportés ne sont plus « disponibles » pour la biomasse. Dans ce cas, les sels inorganiques sont souvent mélangés à des chélateurs pour garantir qu’une partie du micronutriment (métal) reste soluble. Généralement, les chélateurs utilisés à cette fin sont l’EDTA, l’acide citrique ou l’acide gluconique.

Pour ceux qui souhaitent tirer parti des avancées récentes en matière de traitement technique de l’eau, des mélanges à plusieurs métaux exclusifs et scientifiquement équilibrés sont offerts. Lorsqu’ils sont utilisés, ces additifs peuvent réduire significativement l’empreinte chimique d’une installation, car la composition en nutriments de ces mélanges est conçue pour correspondre aux rapports de consommation stœchiométriques présents dans une biomasse saine.

Le calcul et l’identification des carences en micronutriments et leur correction

Pour rétablir ou maintenir des niveaux adéquats de micronutriments au sein d’un système à boues activées, il convient de prendre en compte les éléments suivants : le débit des eaux entrantes, les concentrations de référence en nutriments déjà présentes dans le volume d’eau total, et les concentrations résiduelles nécessaires pour garantir un rendement optimal.

Pour calculer la quantité manquante d’un micronutriment spécifique, il faut appliquer un calcul technique fondamental. Ce calcul, défini comme « l’équation du déficit », est présenté ci-dessous.

Déficit massique _{(nutriment cible)} = Q x (C _cible – C _réel) x 1/1000

Où :

Déficit massique _{nutriment cible} = Déficit massique du micronutriment cible évalué (kg/jour)

Q = débit des eaux usées entrantes (m³/jour)

C _cible = concentration souhaitée en micronutriments dans l’eau du bassin d’aération (mg/L)

C _réel = concentration du micronutriment déjà présente dans l’eau du bassin d’aération (mg/L)

1/1000 = facteur de conversion des unités (mg/L équivaut à g/m³)

Étant donné que les micronutriments sont ajoutés sous forme de composés chimiques plutôt que d’éléments purs, il faut tenir compte de la fraction massique de ce micronutriment dans le produit chimique appliqué. Dans ce cas, le calcul du « dosage du produit » obtenu serait le suivant :

Débit d’alimentation du produit (kg/jour) = déficit massique / fraction massique de l’actif dans l’additif chimique.    

Si l’additif ajouté pour contrer cette carence est liquide, il sera important de compléter ce calcul en considérant la densité du produit chimique:

Débit d’alimentation du produit (kg/jour) = déficit massique / fraction massique de l’actif dans l’additif chimique/ densité du produit chimique 

Exemple de calcul

Afin de faciliter la compréhension de ces calculs, un exemple portant sur le fer (Fe) est proposé ci-dessous.

Une usine agroalimentaire dispose d’une station d’épuration des eaux usées et exploite son système à boues activées dans les conditions suivantes :

• Débit d’eau brute (Q): 5 000 m³/jour
• Concentration cible en fer : 1,0 mg/L
• Additif en micronutriment utilisé (Fe) : sulfate ferreux liquide (FeSO₄)
  • Teneur en fer : 10 % (masse)
  • Densité : 1,25 kg/L

Dans la partie consacrée au traitement secondaire de la station d’épuration, on observe un phénomène chronique de gonflement filamenteux. Une analyse par ICP de l’eau du bassin d’aération a révélé que la teneur en fer soluble est faible et correspond à 0,12 mg/L. Pour rétablir le rendement, il convient d’augmenter la teneur résiduelle en fer afin de revenir à la concentration cible de 1,0 mg/L.

Étape 1 : Calculer la masse quotidienne de fer pur nécessaire pour combler l’écart entre 1,0 mg/L (valeur cible) et 0,12 mg/L (résidu actuel).

Déficit massique (Fe) = 5000 m³/jour x (1,0 mg/L – 0,12 mg/L) x 1/1000 = 4,4 kg/jour (Fe)

Étant donné que l’usine utilise du sulfate ferreux de qualité commerciale, l’équipe technique doit tenir compte de la quantité de fer présente dans la solution de sulfate ferreux et de la quantité de « produit » nécessaire pour combler le déficit de 4,4 kg/jour qui a été identifié.

Débit d’alimentation du produit (kg/jour) = 4,4 Kg/jour / (10/100) = 44 Kg/jour de FeSO₄ comme produit.

En volume, 44 Kg/jour correspondent à 44 Kg/jour/1,25Kg/L =35,2 L/jour de FeSO₄.

En mettant en place un apport de sulfate ferreux à raison de 35,2 L/jour, les concentrations résiduelles en fer remonteront rapidement et la prolifération des bactéries filamenteuses commencera à diminuer.

Comme on peut s’en douter, le simple fait de passer du dépannage réactif au contrôle proactif permet de résoudre de nombreux goulots d’étranglement liés au rendement opérationnel. Qu’il s’agisse d’améliorer la cinétique relative à l’élimination des contaminants ou de développer un floc plus résistant, prendre le temps d’évaluer et de corriger régulièrement les carences en micronutriments s’avérera payant à long terme.

Besoin d’aide pour vous y lancer? L’équipe d’experts d’Aquasan est à votre disposition et peut vous apporter le soutien dont vous avez besoin pour évaluer votre « statu quo » et mettre en œuvre des traitements chimiques si un déficit est identifié.

Chez Aquasan, nous mesurons notre succès à travers le vôtre!