Le bassin biologique
bassin d'aération (flow sheet)

voir aussi
les étapes de l'épuration biologique de l'eau


Après passage dans le module à masques, l’eau alimente gravitairement le bassin biologique. On parle de tête de station. C’est dire si cet ouvrage est le plus important de part sa fonction. Il assure les traitements des principaux agents polluants en réduisant la D.B.O, la D.C.O, l’azote et le phosphore.


substrat et biomasse Pour fonctionner, un bassin biologique doit mettre en présence différents acteurs : l’eau à traiter contenant le substrat, la biomasse composée d’une forte concentration d’êtres vivants capables d’éliminer le substrat, enfin l’oxygène nécessaire au développement et au travail de la biomasse.

La biomasse peut être soit libre, c’est-à-dire intimement mêlée au milieu à épurer , ce sont les boues activées et le lagunage ; soit fixée, c’est-à-dire accrochée à un support solide à la surface duquel percole l’eau à traiter , ce sont les lits bactériens, les biofiltres.

La technique utilisée ici se rapproche du mélange intégral obtenu lorsque en tout point du bassin les concentrations en micro-organismes boues actives, et substrat résiduel (ERU) sont identiques afin de limiter l’impact des surcharges dues aux pointes de pollution. (déversements plus importants à certains moments de la journée).

bassin d'aération en boucle (Enghien)
bassin d'aération rectangulaire (Leuze)
bassin d'aération en boucle (Enghien)
bassin d'aération rectangulaire (Leuze)

Cependant, la grande longueur relative de la boucle et la disposition très ponctuelle des aérateurs, conduisent à des variations assez sensibles de la teneur en oxygène dissous, variations nécessaires au travail des bactéries.

Les aérateurs utilisés sont de type vertical, le bassin est un carrousel.

Ceci permet une aération prolongée, les boues sont alors bien stabilisées ce qui permet de faire l'économie d’un ouvrage de stabilisation et de digestion des boues.

Le système comporte 4 chenaux et a un volume utile de 3 500 m³ dans lesquels circule la liqueur mixte. Son aération est uniquement assurée par des aérateurs de surface de type lent dont le rendement d’oxygénation est constant. Ils peuvent être entraînés à petite ou grande vitesse. La fonction de ceux-ci est d’aérer la masse de micro - organismes. Son fonctionnement est intermittant de manière à créer au sein du liquide des teneurs en oxygène dissous variables. L’asservissement de son fonctionnement à une mesure de l’oxygène dissous et du potentiel Redox permet d’optimaliser son fonctionnement. Lors de l’arrêt de ceux-ci des accélérateurs de courant à vitesse lente disposés dans le bassin maintiennent le courant d'eau et les flocs en suspension.

stockage de FeCl3 La situation en zone sensible de la STEP impose des limites de rejet du phosphore que l’épuration biologique ne permet pas d’atteindre. L’injection de FeCl3 à l’aide d’une pompe doseuse réalise l’élimination complémentaire. Son introduction dans le bassin se situe auprès des aérateurs pour bénéficier du bon mélange de ce composé avec la liqueur mixte.


aérateur à brosses (Enghien) L’aérateur de surface est constitué d’une plaque plate découpée en dents de scie sur lesquelles 12 pales sont fixées. L’ensemble a un diamètre de 2,1 m pour un poids de 440 kg. Chaque pale est formée de manière à optimaliser d’une part le contact de l’air avec les jets d’eau , d’autre part de maintenir une circulation dans le bassin tant en surface qu’en profondeur. Il s’agit là d’un impératif fondamental afin de conserver au liquide une vitesse suffisante et éviter les dépôts dans le fond du bassin en gardant les boues en suspension et les mettant régulièrement en contact avec l’oxygène dissous.

Ce système de circulation contrairement au système à mélange intégral remet l’eau un contact avec l’oxygène à des intervalles relativement courts, permet un brassage en surface mais également vertical de par sa position dans une zone courbe du réacteur, les jets d’eau créant un courant descendant le long des parois. Ce phénomène est encore renforcé par la mise en place d’un voile horizontal en béton armé juste au dessus de l’aérateur. Celui-ci forme une sorte de couvercle " emprisonnant " les aérateurs à la surface de l’eau. Il évite ainsi en partie les nuisances auditives (bruits dus au brassage) et olfactives (effet aérosol des particules de liquide mises en suspension). Ce voile est complété par un déflecteur horizontal.

L’aérateur est entraîné par moteur électrique à démarrage direct d’une puissance de 37 kW tournant dans la fourchette de 900/1 400 tours/minute et couplé à un réducteur de rapport 31,84 pour un poids de l’ensemble de 905 kg. L’ensemble est fixé sur le voile horizontal à un niveau donné et non variable. En fonction des débits, l’aérateur est plus ou moins recouvert et brasse plus ou moins profondément le liquide.

accélérateur de courant (Froyennes)Lors de l’arrêt des aérateurs, un accélérateur de courant prend le relais. Sa fonction unique est de conserver au liquide une vitesse suffisante et d’opérer un brassage continu du liquide. Composé d’une hélice à 2 pales d’un diamètre de 2,2 m entraîné par un moteur d’une puissance de 4 kW tournant à 1 450 t/min, l’ensemble est entièrement submersible, brasse 2,75 m³/s pour une vitesse de rotation de l’hélice de 35 t/min. Le réducteur est du type à deux étages à pignons hélicoïdaux pour un rapport égal à 45,54. Le moteur est protégé par 3 thermosondes incorporées au stator et s’ouvrent à 125 °C.

Les aérateurs et l’agitateur créateur de courant sont commandés par sondes de mesure de l’oxygène dissous dans le liquide et de potentiel Redox.

Le capteur de PH - Redox assure la gestion de l’alternance du fonctionnement des aérateurs et de l’accélérateur de courant. Il mesure le potentiel Redox de la liqueur mixte.

Une Redox est un ensemble formé par deux ions contenant un même atome dont l’un est réducteur et l’autre oxydant dans ce cas NO3- et NH4+. En fonction des concentrations le milieu sera plus ou moins donneur, plus ou moins accepteur d’électrons " libres " dans la liqueur. Il suffit de mesurer cet apport ou cette demande. Pour ce faire on utilise un métal. En effet dans un métal, les noyaux entourés de leurs couches électroniques forment des ions positifs car certains électrons se propagent librement dans le réseau. Un métal est naturellement un réservoir à électrons qu’il libère plus ou moins facilement. Il importe donc de les classer d’après leur force en réducteur, (donneur) qu’on placera à l’anode (-) ou en oxydant (capteur) qu’on placera à la cathode(+).

Le capteur utilisé dans ce cas est une électrode de platine. Il mesure la " concentration " en ions par comparaison à une électrode de référence largement insensible. Lorsque la teneur en nitrate (NO3-) croît le potentiel Redox de l’eau croît et pour une certaine valeur de consigne haute (+ 80 m V), l’aération est stoppée et l’accélérateur de courant mis en marche. Le carrousel fonctionne à ce moment en phase anoxique ensuite anaérobique. Pendant ce temps, les nitrates sont réduits (dénitrification) le potentiel Redox décroît et pour une valeur de consigne inférieure atteinte (- 25 m V) l’accélérateur est stoppé et les aérateurs remis en service. A ce moment, c’est la concentration en éléments oxydants (NH4) qui augmente et l’apport en oxygène est nécessaire à leur oxydation. La mesure de cette tension est donc fonction de l’activité relative des formes oxydantes ou réductrices en présence et ce par comparaison à une tension, un potentiel de référence correspondant à un équilibre entre l’activité des espèces en présence.

mesure de l'oxygène dissousPendant la phase d’aération le transfert d’oxygène est réglé grâce à une sonde à oxygène dissous. Cette sonde mesure en permanence l’oxygène dissous dans l’eau et répercute cette mesure sur la vitesse de rotation des aérateurs en fonction des quantités mesurées. Ceci permet d’optimaliser les phases de réduction des différents polluants tout en limitant l’impact sur la consommation d’énergie.

La mesure réalisée par la sonde est basée sur le principe d’association d’un couple de métaux dont le potentiel électromagnétique est différent ; dans ce cas argent et zinc. En l’absence d’agent oxydant, la pile ainsi formée est polarisée et n’est traversée que par un courant très faible. Ce couple plongé dans un électrolyte produit un courant dont l’intensité dépend entre autre de la concentration en oxygène dissous. Un courant de dépolarisation circule entre les électrodes suivant les réactions de ce type :

Me Me++ + 2e- et O2 + 4e- + 2H2O 4OH- 

La concentration en O2 a, on le voit, une incidence directe sur la circulation des électrons.

Ce que nous venons de décrire est un système de traitement par boues activées dit de cultures libres mais le mode d’alimentation, l’aménagement de la zone non aérée, la recirculation permettent de distinguer d’autres procédés utilisés pour l’élimination du carbone, de l’azote, du phosphore.

Pour éliminer la pollution carbonée, il faut mettre l’eau à traiter en présence des boues épuratrices. Et là trois systèmes prédominent :

  • l’eau à traiter entre à une extrémité pousse et se mélange à la boue au fur et à mesure de son avancement vers la sortie. Le flux piston a le désavantage énorme de concentrer la charge polluante en tête de bassin ;
  • pour éviter l’inconvénient, on alimente le bassin de manière étagée en plusieurs points du bassin évitant la concentration en un point de la charge polluante ;
  • les boues après avoir été en contact avec l’eau à traiter séjournent quelques temps dans une cuve de stabilisation en absence de pollution pour leur permettre d’éliminer leurs réserves nutritives et se " refaire une santé "

aération prolongée La pollution azotée impose qu’on s’aménage des zones d’anoxie qui permettent l’élimination des nitrates formés à proximité des zones d’aération. Ces zones sont mises en place par l’intermédiaire :

  • le chenal d’oxydation est une boucle fermée assurant un long circuit à l’eau à traiter et ménageant entre les aérateurs des zones pauvres en oxygène ;
  • le bassin comprend deux zones une première zone d’anoxie, suivie d’une zone aérée. La position de la zone d’anoxie placée en tête au moment de l’injection des boues de retour permet la dénitrification dans des conditions très favorables en ce qui concerne le rapport pollution carbonée - nitrates ;
  • le procédé à alternance de zones et à alimentation échelonnée est formé d’une succession de zones anoxiques et de zones aérées, le processus de nitrification dénitrification se fait alors progressivement au fil de l’eau.

La pollution phosphorée impose que le bassin soit ici aussi composé de deux zones l’une aérée où la suraccumulation s’effectue l’autre anaérobie qui permet un relargage de celui-ci

Tout au long du processus les systèmes d’aération sont destinés à dissoudre dans l’eau un certain poids d’oxygène nécessaire aux micro - organismes et provoquer un brassage et une homogénéité de la liqueur mixte.

On peut distinguer :

  • les aérateurs de surface à axe vertical ou horizontal à vitesse lente ou à grande vitesse.
  • L’aération par air surpressé à grosses, moyennes ou fines bulles.
  • L’aération par oxygène pur, technique récente, permet d’introduire des quantités plusieurs fois égales à celles apportées par l’air atmosphérique ce qui favorise l’oxygénation au cœur du floc bactérien permettant une augmentation de sa concentration et son activité tout en réduisant la dimension des réacteurs, la quantité de boues produites. La difficulté est ici la fourniture de cet oxygène et son stockage.
aération fines bulles (Froyennes)
surpresseurs (Leuze)
aération fines bulles (Froyennes)
surpresseurs (Leuze)

Il faut encore citer les cultures fixées qui regroupent tous les procédés où la biomasse épuratrice est accrochée sur un support solide au travers duquel l’eau à traiter percole. Principalement, on retrouve les lits bactériens et les biofiltres.

Le principe de fonctionnement d’un lit bactérien consiste à faire ruisseler l’eau à traiter sur une masse de matériau de grande surface servant de support aux micro - organismes qui y forment un feutrage ou une pellicule biologique de consistance visqueuse. Suivant la nature du matériau de support, on distingue :

  • les lits à remplissage traditionnel : coke, cailloux...
  • les lits à remplissage plastique.

Les biofiltres se présentent comme des filtres garnis en matériau de granulométrie suffisamment faible pour obtenir un effet de filtration efficace tout en servant de support à la biomasse. Le biofiltre se colmate peu à peu du fait du développement de la biomasse et des matières retenues. Des lavages périodiques à l’air et à l’eau sont nécessaires.

Les disques biologiques font appel à la fois aux techniques des boues activées et des lits bactériens. Les colonies bactériennes sont fixées sur un support mobile (enfilement de disques de grand diamètre sur un axe horizontal de rotation) plongeant au rythme lent de la rotation alternativement dans les eaux contenues dans une auge semi-cylindrique et dans l’air où elles puisent l’oxygène nécessaire à leur développement. La couche de micro - organismes s’épaissit à la surface du disque en absorbant la pollution et finit par se détacher comme dans les lits bactériens.

Ces lambeaux restent en suspension dans l’auge et y exercent une épuration biologique analogue à celle des boues. Les eaux et la biomasse se dirigent vers un décanteur où les boues secondaires se déposent. Ce système est peu coûteux en raison de sa faible consommation en énergie et de sa facilité d’entretien mais il ne supporte pas les augmentations de la charge polluante ; les disques étant dimensionnés exactement pour une concentration donnée.