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Niveaux de traitement des eaux usées | Microbiologie


Fondamentalement, il existe deux niveaux de traitement des eaux usées sur la base de la quantité d’eaux usées générées par l’homme: le traitement à petite échelle et le traitement à grande échelle. Le traitement à petite échelle des eaux usées est effectué dans les petites maisons et les zones rurales, tandis que le traitement à grande échelle est effectué dans les villes par les organismes municipaux.

1. Traitement des eaux usées à petite échelle:

Il existe plusieurs méthodes de traitement des eaux usées à petite échelle.

Certains d’entre eux sont décrits ci-dessous:

(i) Cesspools:

Les déchets humains sont jetés dans des puisards dans de nombreuses maisons. Il est construit en partie souterraine avec du béton de telle manière qu’il contient une paroi d’anneaux cylindriques avec des pores (Fig. 33.4).

Son ouverture est proche du niveau du sol. Les eaux usées (eaux usées) pénètrent dans le puisard par le tuyau d’entrée. Le fond du puisard reste ouvert. Par conséquent, le matériau solide en suspension tombe au fond du puisard et forme des boues après s’être déposé en grande quantité.

L’eau passe à travers le fond ouvert du puisard et à travers les pores dans le sol environnant. Les matières organiques des boues sont décomposées par des bactéries anaérobies entraînant la libération et le dépôt de produits de dégradation au sol.

Ainsi, la quantité de produits de dégradation dépasse; il forme des couches épaisses qui doivent être nettoyées à l’aide d’acides forts. Une préparation bactérienne séchée de Bacillus subtilis ou de cellules de levure doit être ajoutée à intervalles. Celles-ci accélèrent la décomposition des boues déposées au fond du puisard.

Schéma de Cesspool

(ii) Fosses septiques:

Dans les zones rurales, chaque famille utilise une fosse septique en raison du manque d’égouts publics. La fosse septique est une fosse métallique ou en béton qui est maintenue sous le niveau du sol quelque part près des maisons. Dans les fosses septiques, tous les déchets domestiques s’écoulent par les tuyaux d’entrée. Une famille de quatre membres a besoin d’une fosse septique de 3 × 5 × 5 pieds en accumulant environ 750 gallons d’eaux usées.

Une vue aérienne d'une station d'épuration conventionnelle moderne

Les matières organiques en suspension s’accumulent au fond du réservoir, tandis que l’eau s’écoule par des sorties vers une boîte de distribution (Fig. 33.5A) qui est reliée à des tuyaux perforés qui s’ouvrent sous la surface du sol dans les zones environnantes.

Par conséquent, les effluents du réservoir sont passés à la surface souterraine du sol. Grâce à ce processus, les microbes pathogènes ne sont pas éliminés. Par conséquent, l’approvisionnement en eau potable doit être maintenu à une certaine distance des tuyaux des fosses septiques.

Installation d'une fosse septique pour l'évacuation des eaux usées des maisons

Les matières organiques accumulées dans la fosse septique sont décomposées par des bactéries anaérobies libérant dans l’eau plusieurs sous-produits tels que les sucres, les alcools, les acides organiques, les acides aminés, les acides gras, les glycérols et les gaz (par exemple H2, H2S, CH4, CO2, etc.).

Cependant, il reste des matières organiques non digérées appelées boues. Les boues sont retirées de la fosse septique à certains intervalles par un processus de pompage sinon cela bloquera la fosse et les tuyaux. Les boues agissent comme une source d’humus lorsqu’elles sont appliquées sur le terrain.

De plus, dans les petites villes, les eaux usées sont collectées dans de grands étangs appelés lagunes d’oxydation. Les eaux usées sont rejetées dans des lagunes d’oxydation où les matières organiques sont d’abord oxydées par des organismes aérobies et les sédiments sont décomposés par des micro-organismes anaérobies.

La boue de la matière organique non digérée, bloquant les fosses septiques, doit être retirée à intervalles

2. Traitement des eaux usées à grande échelle:

Le traitement des eaux usées à grande échelle des populations de la ville est connu sous le nom de traitement des eaux usées à grande échelle. Dans les villes, les eaux usées et les ordures sont générées en quantité massive par jour qui est traitée par les usines municipales. Une vue schématique du traitement des déchets par une usine municipale est présentée à la Fig. 33.6.

Différentes étapes du traitement des eaux usées

Les processus globaux d’une station d’épuration municipale conventionnelle peuvent être divisés en trois étapes: le traitement primaire, le traitement secondaire et le traitement tertiaire.

Le traitement primaire est considéré pour la séparation physique des matières insolubles, pour abaisser la DBO; la séparation secondaire est basée sur la décomposition microbienne des matières organiques dans les effluents; le traitement tertiaire est l’élimination chimique des nutriments inorganiques et des microbes pathogènes (tableau 33.1).

Tableau 33.1: Principales étapes du traitement primaire, secondaire et tertiaire des déchets.

Principales étapes du traitement primaire, secondaire et tertiaire des déchets

(i) Traitement primaire:

Le traitement primaire consiste à éliminer physiquement 20 à 30% des matières organiques présentes dans les eaux usées sous forme particulaire. La matière particulaire est éliminée par tamisage, précipitation de petites particules et décantation dans un bassin ou des réservoirs où les eaux usées brutes sont acheminées vers des réservoirs énormes et ouverts.

Les matières solides (boues) sont éliminées et conservées dans des décharges / compostage pour une digestion anaérobie. La partie liquide est acheminée dans des réservoirs à boues. Les matériaux accumulés dans les réservoirs à boues sont soumis au sulfate d’aluminium ou aux autres coagulants de sorte que les particules en suspension, les matières organiques et les micro-organismes doivent être piégés comme dans le processus de sédimentation de la purification de l’eau.

(ii) Traitement secondaire:

Le traitement secondaire est également appelé traitement biologique ou dégradation microbienne. Par ce processus, environ 90 à 95% de la DBO et de nombreux agents pathogènes sont éliminés. Il existe plusieurs moyens de réduire la DBO en traitement secondaire.

La réduction de la DBO de 90% est obtenue grâce à la minéralisation d’une petite fraction de matière organique et à la conversion d’une grande proportion en solides amovibles. Les activités microbiennes peuvent être aérobies ou anaérobies.

Le traitement secondaire est effectué par plusieurs méthodes décrites ci-dessous:

Un étang d'oxydation montrant trois zones

(une) Les bassins d’oxydation:

Les bassins d’oxydation (également appelés lagunes ou bassins de stabilisation) permettent la croissance de formes algales sur les effluents d’eaux usées (Fig. 33.7). Il est utilisé pour le traitement secondaire dans les zones rurales ou les secteurs industriels.

Les matières organiques sont dégradées par des bactéries hétérotrophes en des formes plus simples qui à leur tour soutiennent la croissance des algues. Les algues utilisent ces nutriments pour augmenter leur biomasse. L’air fournit de l’oxygène pour l’oxydation biochimique des matières organiques. L’oxygène dégagé par les algues après la photosynthèse maintient le déficit en oxygène créé par les hétérotrophes.

L’efficacité du processus d’oxydation peut être améliorée en construisant des étangs peu profonds. Les algues poussant dans les étangs d’oxydation sont: Chlorella pyrenoidosa, C. ellipsoides, Scenedesmus acutus, S. quadricauda, ​​Spirulina platensis, etc. Le traitement secondaire par étangs d’oxydation est le dispositif de traitement aérobie des eaux usées.

b) Le filtre ruisselant:

Le traitement secondaire aérobie peut également être effectué avec un filtre ruisselant (Fig 33.8). Il s’agit d’un simple dispositif de traitement des eaux usées qui se compose d’un lit de pierre concassée, de gravier, de scories ou de matière synthétique avec des drains faits au fond du réservoir.

Ainsi, le filtre qui coule a un tas de roches sur lesquelles les eaux usées ou les déchets organiques coulent lentement. Un arroseur rotatif (bras) est suspendu au-dessus d’un lit de matériau poreux qui distribue les eaux usées liquides au-dessus et recueille les effluents au fond. En raison du processus de pulvérisation, les eaux usées sont saturées d’oxygène.

La bactérie Pseudomonas

Le lit filtrant poreux est recouvert d’une croissance bactérienne visqueuse principalement par Zooglea ramigera et d’autres bactéries productrices de boue. La vase est colonisée par les micro-organismes hétérotrophes, par ex. bactéries (Beggiatoa alba, Sphaerotilus natons, Achromobacter spp., espèces de Pseudomonas et Flavobacterium), champignons, nématodes, protozoaires, etc.

Ces micro-organismes forment une culture microbienne stationnaire en raison de l’apport continu de nutriments présents dans les eaux usées et du métabolisme des constituants organiques en produits finaux plus stables. Par conséquent, la DBO des effluents est réduite par ces micro-organismes. Les micro-organismes obtiennent de l’air à travers un lit poreux. Un lit nouvellement construit a besoin de quelques semaines pour fonctionner efficacement à moins que le film zoogléal ne soit recouvert.

Une vue en coupe du filtre Trickling

(c) Les boues activées:

C’est également l’un des systèmes de traitement aérobie les plus utilisés, pour les eaux usées dans lesquelles une aération très vigoureuse des eaux usées est effectuée. Les eaux usées sont transférées dans un réservoir d’aération à partir du décanteur primaire. Les eaux usées sont aérées par agitation mécanique (Fig. 33.9).

En raison de l’aération vigoureuse de la formation de floc des eaux usées se produit. Les matières colloïdales et finement suspendues des eaux usées forment des agrégats appelés flocules. Les floes sont autorisés à se déposer dans un décanteur secondaire. Les particules de floe, c’est-à-dire les boues activées, contiennent une grande quantité de bactéries métabolisantes ainsi que des levures, des champignons et des protozoaires.

Les boues activées sont introduites dans le décanteur primaire et le bassin d’aération juste pour le développement rapide des micro-organismes et l’exploitation rapide de la matière organique.

Ce processus est répété, c’est-à-dire l’ajout de boues décantées aux eaux usées fraîches, l’aération, la sédimentation, l’ajout de boues décantées aux eaux usées fraîches, etc. Ce processus répétitif entraîne une floculation complète des eaux usées fraîches en quelques heures. Le processus de boues activées réduit la DBO des effluents à 10-15% par rapport aux eaux usées brutes.

Boues activées aérobies

L’utilisation de boues activées accélère l’efficacité du système. Une mauvaise décantation des floes de boues activées affecte négativement l’efficacité de la station d’épuration.

Les micro-organismes présents dans les floes de boues activées sont les hétérotrophes tels que les bâtonnets Gram négatifs (par exemple E. coli, Enterobacter, Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium, Zooglea, etc.), Arthrobacter, Corynebacterium, Mycobacterium, Sphaerotilus, les grosses bactéries filamenteuses, certaines filamenteuses champignons, levures et protozoaires. Ces microbes sécrètent de la boue qui contient des floes.

Ainsi, les floes sont de la biomasse microbienne maintenue ensemble par de la boue. La boue décantée doit être retirée du réservoir de décantation de temps en temps, sinon une décantation médiocre entraînera un gonflement des boues.

Les boues gonflantes sont causées par le développement massif de bactéries filamenteuses (par exemple Sphaerotilus, Baggiatoa, Thiothrix) et de champignons filamenteux (par exemple Cephalosporium, Cladosporium, Geotrichium, etc.). Ainsi, les boues décantées sont autorisées au traitement anaérobie et à la réinoculation des eaux usées fraîches.

Un dépôt de coulée de boues activées abaisse la qualité de l'effluent final

Les avantages d’utiliser le processus de boues activées sont:

a) Réduction significative de la DBO et des solides en suspension,

(b) Réduction des agents pathogènes intestinaux,

c) Besoin de peu de terrain, et

(d) Pas besoin de dilution élevée de l’effluent final.

d) Digesteurs anaérobies:

Tous les processus aérobies produisent un excès de biomasse microbienne ou de boues d’épuration qui contiennent de nombreux composés organiques récalcitrants. Les boues provenant du traitement aérobie des eaux usées ainsi que les matières déposées dans le traitement primaire sont ensuite traitées dans des digesteurs anaérobies par le biais du processus de digestion anaérobie (Fig. 33.10).

Ces digesteurs ne sont utilisés que pour le traitement des boues d’épuration décantées et le traitement des effluents industriels à très forte DBO. Les digesteurs anaérobies sont de grands réservoirs de fermentation conçus pour fonctionner en anaérobie avec un approvisionnement continu de boues non traitées et l’élimination des boues finales stabilisées.

Cependant, dans ces réservoirs, des dispositions sont prises pour le mélange mécanique, le chauffage, la collecte de gaz, l’ajout de boues et l’élimination des boues stabilisées finales. Quantité élevée de matières organiques en suspension avec un nombre élevé de communautés bactériennes (109 – dixdix CFU / ml) est trouvé.

Les matières organiques sont décomposées par un certain nombre de micro-organismes anaérobies dont la population se révèle être 2 à 3 fois supérieure à celle des anaérobies.

La digestion anaérobie comprend les trois étapes suivantes:

Digesteur de boues anaérobies

Fermentation:

La fermentation des composants des boues pour former des acides organiques (y compris l’acétate) à partir de polymères organiques est effectuée par un certain nombre de bactéries telles que les espèces de Bacteroides, Clostridium, Peptostreptococcus, Eubacterium, Lactobacillus, etc. Les acides organiques sont le butyrate, le propionate, le lactate, le succinate , acétate avec éthanol et H2, CO2, etc.

Lactobacillus et micrographie électronique de Clostridium

je. Réactions acétogènes:

Les produits (par exemple butyrate, propionate, lactate, succinate, éthanol) produits pendant la fermentation sont utilisés comme substrat par plusieurs bactéries acétogènes, à savoir Syntrophomonas, Syntrophobacter et Acetobacterium. Les produits issus de réactions acétogènes sont: acétate, H2 et Cie2.

ii. Méthanogenèse:

Les produits produits lors de l’acétogenèse sont utilisés comme substrat par des bactéries méthanogènes. L’acétate est utilisé pour produire du CH4 + CO2 par Methanosarcina et Methanothrix. H2 et HCO3 sont utilisés pour produire du méthane par plusieurs bactéries, par ex. Methanobrevibacter, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanobacterium, Methanococcus et Methanospirillum. Un équilibre critique entre oxydants et réducteurs est maintenu pendant les processus méthanogènes.

La concentration d’hydrogène doit être maintenue à un niveau bas pour qu’elle puisse fonctionner plus efficacement. Lors de l’accumulation d’hydrogène et d’acides organiques, la production de méthane est inhibée. Ainsi, le produit final de la digestion anaérobie est un mélange de gaz (70% CH4, 30% CO2), la biomasse microbienne et les résidus non biodégradables (par exemple les métaux lourds, les biphényles polychlorés, etc.).

(iii) Traitement tertiaire:

Le traitement tertiaire vise à éliminer les matières organiques non biodégradables, les métaux lourds et les minéraux. Les sels d’azote et de phosphore doivent être éliminés car ils provoquent l’eutrophisation.

En utilisant des filtres à charbon actif, les polluants organiques peuvent être éliminés, tandis qu’en ajoutant de la chaux, le phosphore est précipité sous forme de phosphate de calcium. L’azote peut être éliminé par décapage, volatilisation sous forme de NH3 à des valeurs de pH élevées. L’ammoniac peut être converti par chloration en dichloromine qui à son tour est convertie en N2. Le traitement tertiaire est coûteux, par conséquent, il n’est utilisé que si cela est très nécessaire.



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