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Biotechnologie Dépollution des eaux

Réf : 544 029

Français – p 1 Version : 4103

Réacteur biologique de traitementdes eaux

Biotechnologie Réacteur biologique de traitement des eaux Réf : 544 029

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1 Introduction Cet ensemble didactique est un modèle analogique de traitement des eaux usées. Ce dispositif pédagogique conçu comme un pilote de station d'épuration permet de reproduire et de suivre les processus de dépollution d’une eau résiduelle urbaine (simulée). Il permet d’aborder concrètement des processus biologiques complexes, cycle du carbone et cycle de l'azote et de constater une réduction des charges organiques de l'effluent. Le système se compose d'une plateforme expérimentale innovante, laquelle maintient le système de mesure, d'oxygénation et le circuit hydraulique. Chaque bac possède son propre système de pompe, il n'y a pas d’intervention direct sur l'effluent.

2 Principe Le traitement s’effectue en trois phases successives :

• La séparation de l’eau des substrats solides (décantation primaire) • La transformation de la matière organique en boues microbiennes

(digestion) • La séparation des boues microbiennes et de l’eau épurée

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4.2 Position des tubes rigides Bac 1 : la position du tube rigide en position médiane Bac 2 : la position des tubes est peu importante Bac 3 : clarificateur : récupère les boues déposées par sédimentation et les renvoie dans le bac 2. Il faut donc le tube rigide de la pompe 3, situé le plus bas possible

5 Mise en service Le bac 1 permet la préparation des mélanges simulant les eaux usées. L’introduction des microorganismes s’effectue en bac 2, volume maxi préconiser 1,8 L. Le bac 2 est sous agitation et aération (suivant le type de microorganismes). Le bac 3 permet de faire décanter les boues sortant du bac 2, la pompe 3 est une pompe de recirculation permettant de renvoyer les boues vers le bac 2. La récupération de l’eau épurée s’effectue à l’aide de seringue. Pompage


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Les eaux usées contiennent de la matière organique polluante pour l’environnement, toxique pour les écosystèmes aquatiques. Elles ne peuvent donc pas être déversées directement dans la nature. Le but du traitement biologique est de digérer cette pollution biodégradable et de la transformer en une matière organique constituée essentiellement des corps cellulaires bactériens. Le bilan du traitement biologique à boues activées est le transfert d’une pollution soluble et particulaire vers une matière organique concentrée, solide, valorisable en partie comme engrais dans l’agriculture. Il reste le plus souvent une fraction non biodégradable, qui doit subir un traitement spécifique avant neutralisation.

Représentation schématique du procédé de production des boues dans une station de type boues activées. La Station d’Epuration JEULIN reprend l’organisation d’une station à boues activées. Le bilan observé du traitement biologique permettra de démontrer que contrairement aux idées reçues, on n’obtient pas de l’eau potable, mais on produit de la matière organique maîtrisée sous forme de boues de matière bactérienne. Le système repose sur le flux continu de matière organique et la croissance d’une population microbienne capable de consommer cette matière.


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8.2 Pistes pédagogiques

Piste pédagogique : production des boues à partir de ERU Effluent synthétique 5g/ L Bac 2 : aération / agitation + mix bactérien 1 (poudre) 2g/L Bac 3 : Extraction d’un volume d’eau – clarification Nous proposons de suivre l’aspect de la décantation et du résidu sur plusieurs temps Temps à 0 A 1h A 1 jour A 2 jours On peut compléter par une observation au microscope des boues formées.

Piste pédagogique : étudier le rôle de l’oxygène Le faire sur 48h. C’est la même expérience sans oxygène/ observation.

Piste pédagogique : le suivi du cycle de l’azote Reprendre le TP1, on recycle les boues en bac 2 et on récupère l’eau clarifiée. On observe et on constatera NH3. Ensuite on introduit le mix bactérien 2 (liquide) quelques mL en bac 2 en agitation 12h environ. Temps à 0 A 1h A 1 jour A 2 jours

Piste pédagogique : concentration des boues Extraire les boues. Les passer dans un entonnoir avec un papier filtre. Les placer ensuite dans une étuve. Observer de la poudre homogène et à comparer avec l’effluent de départ.

Piste pédagogique : pollution On peut dérégler le fonctionnement en introduisant un polluant chimique (cuivre par exemple)

8.3 Suivi et Analyses physico-chimique Exemples de mesures :

‐ Matière en suspension / turbidité ‐ Dosage de l’azote ammoniacal et nitrate ‐ Suivi de l’oxygène dissous, Demande Biologique en Oxygène DBO et

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a) Suivi et analyse du liquide clarifié – Bac 3

pH, turbidimétrie, oxygène (Les Matières En Suspension - MES) peuvent être suivi en Ex.A.O. Bac 2 : mesures ponctuelles comparatives (faire attention aux difficultés de mesures en milieu très saturés en Matières En Suspension) Les systèmes d’analyse chimique (ex Kit pureté des eaux), oxygène dissout permettent de suivre DBO, Nitrate, nitrite, NH4+

b) Les paramètres à analyser

Oxygène, DBO, DCO et Oxydabilité L'ensemble de ces paramètres permet d'estimer la quantité de matière organique présente dans l'eau.

c) Oxygène dissous

L'eau absorbe autant d'oxygène que nécessaire pour que les pressions partielles d'oxygène dans le liquide et dans l'air soient en équilibre. La solubilité de l'oxygène dans l'eau est fonction de la pression atmosphérique (donc de l'altitude), de la température et de la minéralisation de l'eau : la saturation en O2 diminue lorsque la température et l'altitude augmentent. La concentration en oxygène dissous est un paramètre essentiel dans le maintien de la vie, et donc dans les phénomènes de dégradation de la matière organique et de la photosynthèse. C'est un paramètre utilisé essentiellement pour les eaux de surface. Au niveau de la mer à 20°C, la concentration en oxygène en équilibre avec la pression atmosphérique est de 8,8 mg/l d'O2 à saturation. Une eau très aérée est généralement sursaturée en oxygène (torrent), alors qu'une eau chargée en matières organiques dégradables par des micro-organismes est sous-saturée. En effet, la forte présente de matière organique, dans un plan d'eau par exemple, permet aux micro-organismes de se développer tout en consommant de l'oxygène. L'oxygène dissous est donc un paramètre utile dans le diagnostic biologique du milieu eau.

d) DBO, DCO et oxydabilité.

La DBO (demande biochimique en oxygène) exprime la quantité d'oxygène nécessaire à la dégradation de la matière organique biodégradable d'une eau par le développement de micro-organismes, dans des conditions données. Les conditions communément utilisées sont 5 j (on ne peut donc avoir qu'une dégradation partielle) à 20°C, à l'abri de la lumière et de l'air ; on parle alors de la DBO5.

Cette mesure est très utilisée pour le suivi des rejets des stations d'épuration, car elle donne une approximation de la charge en matières organiques biodégradables. Elle est exprimée en mg d’O2 consommé (cf. tableau ci-dessous).


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Tableau 1 : Echelle de valeurs de DBO5

La DCO (demande chimique en oxygène) exprime la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder la matière organique (biodégradable ou non) d'une eau à l'aide d'un oxydant, le bichromate de potassium. Ce paramètre offre une représentation plus ou moins complète des matières oxydables présentes dans l'échantillon (certains hydrocarbures ne sont, par exemple, pas oxydés dans ces conditions). L'objectif de la DCO est donc différent de celui de la DBO. La DCO peut être réalisée plus rapidement que la DBO (oxydation " forcée ") et donne une image de la matière organique présente, même quand le développement de micro-organismes est impossible (présence d'un toxique par exemple). Le résultat s'exprime en mg/l d'O2. Généralement, la DCO vaut de 1,5 à 2 fois la DBO5 pour les eaux usées domestiques. La relation empirique suivante lie la DBO5, la DCO et la matière organique de l'échantillon (MO) :

MO = (2 DBO5 + DCO) / 3 L'oxydabilité est une mesure similaire à la DCO, utilisée dans le cas de faible concentration en matière organique (DCO < 40 mg/l d'O2). L'oxydant requis est le permanganate de potassium. Le Bichromate de potassium est un produit extrêmement toxique et dangereux à manipuler, c’est la raison pour laquelle nous préconisons le suivi de la DBO et de la turbidité.

e) Turbidité

La mesure de la turbidité permet de préciser les informations visuelles sur l'eau. La turbidité traduit la présence de particules en suspension dans l'eau (débris organiques, argiles, organismes microscopiques…). Les désagréments causés par une turbidité auprès des usagers sont relatifs car certaines populations sont habituées à consommer une eau plus ou moins trouble et n'apprécient pas les qualités d'une eau très claire. Cependant une turbidité forte peut permettre à des micro-organismes de se fixer sur des particules en suspension. La turbidité se mesure sur le terrain à l'aide d'un turbidimètre.

Tableau 2 : classes de turbidité usuelles (NTU, nephelometric turbidity unit) NTU Eau claire

5 < NTU < 30 Eau légèrement trouble NTU > 50 Eau trouble

NTU La plupart des eaux de surface en

Afrique atteignent ce niveau de turbidité


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f) pH

Le pH (potentiel Hydrogène) mesure la concentration en ions H+ de l'eau. Il traduit ainsi la balance entre acide et base sur une échelle de 0 à 14, 7 étant le pH de neutralité. Ce paramètre caractérise un grand nombre d'équilibre physico-chimique et dépend de facteurs multiples, dont l'origine de l'eau.

Tableau 3 : classification des eaux d'après leur pH pH < 5 Acidité forte => présence d'acides

minéraux ou organiques dans les eaux naturelles

pH = 7 pH neutre

7 < pH < 8 Neutralité approchée => majorité des eaux de surface

5,5 < pH < 8 Majorité des eaux souterraines

pH = 8 Alcalinité forte, évaporation intense

8.5 Protocole

8.5.1 Demande biologique en oxygène a) Principe de l'analyse

La DBO est mesurée au bout de 5 jours (=DBO5), à 20 °C (température favorable à l’activité des micro-organismes consommateurs d’O2) et à l’obscurité (afin d’éviter toute photosynthèse parasite).

Deux échantillons sont nécessaires : le premier sert à la mesure de la concentration initiale en O2, le second à la mesure de la concentration résiduaire en O2 au bout de 5 jours. La DBO5 est la différence entre ces 2 concentrations. Les mesures seront effectuées sur un même volume et le second échantillon sera conservé 5 jours à l’obscurité et à 20 °C.

Afin de mesurer la totalité de la demande, l’O2 ne doit pas devenir un facteur limitant de l’activité microbienne. En effet, une eau abandonnée à elle-même dans un flacon fermé consommera rapidement le dioxygène dissous : il faut donc s’assurer au préalable que ce dioxygène suffira largement à la consommation des micro-organismes. On utilise pour cela la méthode des dilutions, ou l’échantillon à doser est dilué dans une quantité d’eau telle qu’à l’issue de la mesure le taux d’O2 résiduel reste supérieur à 50% du taux initial. Une quantité réduite du mélange micro-organismes + substrat est ainsi mis à disposition du dioxygène d’un important volume d’eau dépourvu de demande propre*

(*L'eau pure ne consomme effectivement pas d'oxygène)


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b) Matériel

• Oxymètre

• Agitateur magnétique

• Aérateur

• Flacons

• Eau pure pour la dilution

c) Protocole opératoire

Préparation de l’eau de dilution : mettre la veille du prélèvement, dans un récipient de 10 l, de l’eau du robinet dans laquelle on plonge pendant 24 h un aérateur pour la saturer en dioxygène. Laisser reposer 12 h.

‐ Choix du facteur de dilution : Le facteur de dilution F dépendra de la charge de l’eau analysée. Par exemple, on choisira un facteur de dilution de l’ordre de 10 pour une eau de surface (DBO moyenne = 1 à 30 mg/l) ou de 50 à 100 pour une eau usée (DBO moyenne = 300 mg/l pour un effluent domestique).

Concrètement, si en début de mesure l’eau est saturée en dioxygène (8 mg/l), pour une eau usée (DBO de l’ordre de 300 mg/l), on choisira un facteur de dilution F de l’ordre de 300 / (8-8/2) = 75.

Si l’on dispose d’un flacon de 150 ml, en diluant 2 ml d’eau usée dans 148 ml d’eau de dilution on obtient un facteur de dilution F = 150/2 = 75 convenable.

‐ Préparation des flacons de mesure : verser dans le flacon un peu d’eau de dilution puis la quantité prévue d’échantillon puis remplir le reste du flacon avec l’eau de dilution. Fermer le flacon sans y laisser d’air. Faire ainsi 2 flacons identiques.

‐ Mesure au temps 0 : doser l’O2 dissous dans un flacon d’échantillon dilué (T0 en mg/l).

d) Incubation : placer les 2 flacons restants à l’étuve 20 °C et à l’obscurité pendant 5 jours.

e) Mesure au temps 5 jours : doser l’O2 dissous dans le flacon

d’échantillon dilué restant (T5 en mg/l). f) Résultats : DBO = F (T0-T5)

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