Bactéries et micro-organismes intervenant dans le traitement de l’eau

A quoi servent les bactéries?

Le traitement des eaux usées par voie biologique est la méthode d’assainissement la plus répandue dans le monde. Cette technologie utilise différents types de bactéries et autres micro-organismes pour le traitement et le nettoyage des eaux polluées.

Le traitement des eaux usées est aussi essentiel pour la santé humaine que pour la protection de l’environnement. En effet, l’utilisation de ces bactéries accélère le traitement de la pollution sur une petite surface : la station d’épuration. C’est mieux que de laisser la rivière faire, car bien que ce soit le même processus d’épuration qui se passe dans la nature, les quantités de pollution rejetées de nos jours sont trop importantes pour ne pas dérégler le cycle naturel. Ainsi, les stations d’épuration permettent d’éviter par exemple l’eutrophisation des cours d’eau, mais aussi préviennent la diffusion de maladies.

Les eaux usées et les déchets des industries sont les principales sources d’eaux usées. Et grâce à l’utilisation des micro-organismes, nous sommes en mesure de dégrader le contenu des déchets organiques car ils les utilisent comme source d’alimentation et d’énergie pour se développer et se multiplier.

Vous l’avez compris, les bactéries, c’est le cœur du procédé. Et finalement une station d’épuration, c’est en quelque sorte une ferme où l’on cultive des micro-organismes à grande échelle.

Où sont présent ces bactéries ?

Partout, depuis l’eau arrivant à la station d’épuration, et jusqu’à sa sortie. Les paramètres de fonctionnement définis dans les bassins de traitement influencent le développement de diverses structures microbiennes et des espèces qui la compose. Cet ensemble de micro-organismes, riche en espèces, atteignent un niveau de biodégradation plus élevé sur une large gamme de substrats, contrairement à l’utilisation de cultures uniques. C’est le facteur principal agissant la qualité des eaux usées traitées.

Généralement, ces organismes grouillent et s’agrègent en un ensemble ressemblant à un flocon dans les cultures libres, appelé le floc. Ces flocs, visibles à l’œil nu, contiennent des cellules vivantes et mortes de bactéries, champignons, protozoaires et des produits métaboliques. Ils s’agglomèrent autour de la matière organique suspendue dont ils se nourrissent. C’est le cas par exemple des boues activés. En outre, dans le cas des cultures fixées, des biofilms un peu similaires se développent sur les surfaces de contact. Par exemple, les biofiltres et les disques biologiques sont des cultures fixées.

Certaines usines sont équipées de réacteurs UV ou d’injection de chlore pour éliminer les bactéries encore présentes dans l’eau de sortie, avant leur déversement en rivière. C’est par exemple le cas en Australie et Nouvelle Zelande.

Qui sont ces micro-organismes ?

Tout d’abord, avant de savoir qui ils sont, il faut comprendre les paramètres influents leur croissance. Premièrement, la localisation géographique. Deuxièmement le type de bassin dans lequel seront cultivées les bactéries. Troisièmement les caractéristiques des eaux usées entrant dans la station. Enfin les paramètres d’exploitation du système, tel que l’aération, l’agitation, l’injection de produits chimiques. Tous ces facteurs crééent des changements quantitatifs entre les bactéries autotrophes et hétérotrophes. Dans les stations d’épuration municipales par exemple, prédominent les bactéries gram négatif du type protéobactéries (21-65%) dont la Betaproteobacteria est la classe la plus abondante, largement responsable de l’élimination des éléments organiques et des éléments nutritifs. Les autres embranchements sont Bacteroidetes, Acidobacteria et Chloroflexi (Nielsen et al., 2010 ; Nguyen et al. 2011 ; Wan et al., 2011 ; Hu et al., 2012 ; Wang et al., 2012 ). Les plus nombreux types de bactéries sont Tetrasphaera , Trichococcus , Candidatus Microthrix , Rhodoferax , Rhodobacter , Hyphomicrobium (McIllory et al., 2015 ).

Parmi les champignons, les Ascomycètes sont les plus abondants, et représentent 6,3 à 7,4% des micro-organismes. Ensuite viennent les archéobactéries, avec les Euryarcheota (1,5% des micro-organismes, Wang et al., 2014b ). En outre, en présence d’ammoniac et d’oxygène, Nitrosomonas est très présente. Enfin, un âge des boues est élevé permet aux protozoaires et rotifères de coloniser le milieu.

La température impacte la présence de certaines espèces. Ainsi, l’effet de la situation géographique affecte la composition des espèces. D’autre part, dans l’industrie par exemple, la présence de micro-organismes bien définis de façon dominante s’explique par leur capacité à biodégrader des composants spécifiques des eaux usées industrielles.

Par ailleurs, les bactéries sont catégorisées par la façon dont elles obtiennent de l’oxygène. Dans le traitement des eaux usées, il existe trois types de bactéries utilisées pour traiter les déchets qui entrent dans la station de traitement: aérobie, anaérobie et facultatif.

Leurs impacts et les solutions de traitement

La présence de mauvaises bactéries (ou l’absence des bonnes souches) peut provoquer notamment :

Un faible rendement biogaz du digesteur anaérobie
Une mauvaise floculation et sédimentation
Un excès de bactéries filamenteuses
Un excès en phosphore
Un faible rendement d’élimination de l’azote (NH4, NO3)
La production d’odeurs désagréables
Un excès de consommation de réactifs chimiques
Dans un digesteur anaérobie, une production de mousses

Il y a généralement trois façons de rétablir un bon traitement. Premièrement, en modifiant les réglages d’exploitation, et en attendant que les bonnes souches colonisent à nouveau le milieu. Deuxièmement, en éliminant complètement les micro-organismes en place lorsque la première solution n’a pas fonctionné. Attention, cette méthode est peu recommandée, car la biomasse mettra encore plusieurs jours à se développer, donc l’eau ne sera pas correctement traitée pendant cette période. La troisième solution consiste à injecter des bactéries spécialement sélectionnées, cultivées et multipliés, pour qu’elles reprennent l’avantage sur les bactéries indésirables présentes dans le milieu.

Les applications fréquentes

La biotechnologie microbienne offre des applications scientifiques innovatrices d’un grand intérêt écologique et économique. Elle exploite de façon optimale les processus naturels de dégradation et élimine ainsi la pollution à des coûts significativement inférieurs à ceux des techniques de traitement conventionnelles physico-chimiques ou mécaniques.

L’usage de bactéries se démarque des techniques de traitement courantes car elles mettent en œuvre des moyens simples et naturels dont le bilan final permet d’éliminer la pollution sans engendrer de pollution nouvelle. La plupart du temps, leur mise en œuvre nécessite l’utilisation d’un bioréacteur dédié, ainsi que les nutriments nécessaires à leur multiplication en grand nombre. Le dosage est facile et ne nécessite que peu de temps d’exploitation.

Accélérer le démarrage d’une usine / Ensemencer rapidement une station mobile

La colonisation d’un milieu par les bactéries nécessaires et micro-organismes nécessaires à la dépollution dure généralement entre 4 et 8 semaines. Encore une fois, c’est la température qui impacte le plus ce temps de croissance. Il existe des solutions pour réduire ce délai à une semaine environ, grâce à l’ensemencement avec des bactéries sélectionnées et multipliées. Il y a ici deux principaux avantages :

Réduire le délai de mise en route d’une station d’épuration
Accélérer le démarrage d’une unité de traitement mobile (lors d’une avarie sur l’usine principale par exemple)

La technique consiste à recirculer un savant mélange de substrat adapté et de bactéries sélectionnées pour qu’elles s’installent très rapidement. Ainsi, dans ces conditions favorables, les bactéries développent très rapidement des flocs ou des biofilms. Enfin, au bout de quelques jours, le milieu est prêt et les eaux usées peuvent être déversées. Nous avons sélectionné une gamme de bactéries pour démarrer en une semaine votre installation dans des conditions normales, avec des températures d’eau entre 12 et 30°C. Le dimensionnement est disponible sur la page optimisation microbiologique.

Corriger la présence de bactéries indésirables

Sur les stations de type boues activées, la présence de bactéries filamenteuse est un réel problème. D’abord, la solution consiste à extraire un maximum de boues, et d’augmenter l’aération. La reconquête du milieu par les bonnes bactéries peut remettre plusieurs jours. Si cela ne fonctionne pas, alors il est possible de détruire ces bactéries au chlore. Le problème, c’est que cela tue toutes les bactéries. Et puis il faudra attendre quelques semaines pour que les conditions normales soient de nouveau atteintes. Tandis que la majorité des exploitants continuent l’injection de chlore, nous préconisons l’injection de bactéries dédiées. Comme pour le démarrage accéléré d’une usine, l’ajout massif de ces bonnes populations permet de rétablir rapidement l’équilibre dans les bassins. Voici par exemple une illustration de l’élimination des flottants dans un clarificateur. Le dimensionnement est disponible sur la page optimisation microbiologique.

Améliorer les performances de traitement

En éliminant les graisses et huiles responsables de la dégradation du milieu

Les bactéries lipophiles sont spécialisées pour la dégradation des graisses et des huiles animales et végétales dans les STEP urbaines et dans les sites industriels de traitement. Ces bactéries sont facilement adaptables à tous les systèmes de traitement utilisés actuellement.

Sur le marché, il existe des produits tels que des bactéries et des enzymes complètement naturelles, conçues et sélectionnées pour leur capacité à solubiliser et à digérer les graisses et les boues. Certaines bactéries sont tellement spécialisées dans la dégradation des graisses qu’elles sont capable de dégrader les charges hautes, jusque 300 000 mg/L de DCO.

Le dimensionnement est disponible sur la page optimisation microbiologique.

En accroissant la présence de bonnes bactéries

Comme on peut s’y attendre, la technique consistant à injecter un mélange de substrat adapté et de bactéries sélectionnées est encore la plus efficace. Ainsi, l’istallation très rapide de celles-ci dans le milieu permet d’améliorer les rendements d’épuration sur les systèmes suivants :

Boues activées (aération fines bulles)
Lagunes et étangs naturels et artificiels
Biofiltres
Lits bactériens
Disques biologiques

Le dimensionnement est disponible sur la page optimisation microbiologique.

En rajoutant les bactéries pour le traitement d’eau froide ou chaude

La majorité des micro-organismes se développe généralement plus rapidement à des températures élevées, jusqu’à 38°c max. Cependant, leur développement devient très lent en dessous de 12°c, voire quasi nul en dessous de 5°C. Ces températures basses sont souvent atteintes lorsque les stations d’épurations sont situées dans des zones géographiques telles que le Canada ou au nord de l’Europe. Lors de la fonde des neige, ces bactéries doivent traiter la pollution alors qu’elles se trouvent dans des eaux froides. La parade principale consiste à augmenter significativement la taille de l’usine pour pallier au manque d’activité microbienne. Cependant, cette solution pourtant encore largement pratiquée, est très onéreuse. Au contraire, certains process industriels génèrent des eaux supérieures à 38°C. Les bactéries les plus communes ne peuvent pas survivre dans ces conditions. C’est pour cela qu’il existe des mélanges de bactéries efficaces pour le traitement des différentes eaux. Ainsi, avant un évènement froid par exemple, il est possible d’ensemencer au préalable le réacteur biologique avec les bactéries spécialement sélectionnées pour ces conditions. Elles prendront alors le dessus sur les populations déjà en place, et permettront d’assurer un traitement efficace le de ces conditions difficiles. Nous disposons d’une sélection de bactéries pour ces conditions difficiles :

eaux froides (entre 1°C et 12°C),
eaux chaudes (entre 30°C et 50°C ou plus)

Le dimensionnement est disponible sur la page optimisation microbiologique.

Les outils de dimensionnement

Dans la rubrique Outils, vous trouverez toutes les informations mathématiques et chiffrées qui vous permettront de dimensionner un projet.