Memoire Online - Application de la nitrification dénitrification dans le traitement des eaux usées

Pr&sent& par : Ayoub MABROUK
Sous La Direction de : Pr. Omar ASSOBHEI

Titre :

Application de la Nitrification-Dénitrification dans le traitement des eaux usées

Memoire de fin d'etude, Filiere Sciences de la Vie, Option Biologie Cellulaire et Moleculaire, Universite Chouaib Doukkali, Faculte des sciences, El Jadida ,2009.

Résumé :

Notre stage de fin d'étude s'inscrit dans le cadre général qui vise le traitement

biologique des eaux usées. Il a été réalisé au laboratoire BIOMARE, au sein de l'équipe de
Biotechnologie Marine et de l'Environnement de la Faculté des Sciences d'El Jadida, sous la

Mon travail comporte une étude bibliographique sur les processus de la nitrification et dénitrification, qui sont deux étapes importantes du cycle de l'azote et qui ont une grande

importance dans les écosystèmes, puisque la dénitrification est la voie majeure de la perte

d'azote fixé dans l'environnement, ainsi nous abordons les techniques qui exploitent ces

Ce travail comporte aussi une partie expérimentale réalisée au laboratoire de Biotechnologies Marine et de l'Environnement qui consiste à la comparaison entre la qualité de l'eau usée brute et l'eau usée traitée.

Abstract :

Our end-stage study is part of the overall framework that seeks treatment Biological wastewater. It was conducted in the laboratory BIOMARE, within the team Marine Biotechnology and Environment, Faculty of Sciences El Jadida, under the direction of Professor Sir Omar ASSOBHEI.

My work includes a literature review on the processes of nitrification and denitrification, which are two important steps in the nitrogen cycle and have a great importance in ecosystems, because denitrification is the major route of loss fixed nitrogen in the environment, and we discuss techniques that exploit these process in nitrogen removal from wastewater.

Marine Biotechnology and Environment, which is the comparison between the quality of raw wastewater and treated wastewater.

RéaCisé dans Ce cadre de stage de fin d'étude de Ca Cicence option : BioCogie CeCCuCaire et MoCécuCaire, ce travaiC a été effectué au Laboratoire de BiotechnoCogies Marine et de C'Environnement (BIOMARE) sous C'encadrement de Monsieur Omar ASSOBHEI.

Au terme de ce travaiC ,je tiens à exprimer ma gratitude et ma reconnaissance au Pr. O. ASSOBHEI, pour son soutien et ses précieux conseiCs dans C'éCaboration de ce travaiC.

Je remercie Sincerement, Monsieur RIHAislI Mohammed pour sa participation à C'évaCuation de ce travaiC.

Mes vifs remerciements vont égaCement au doctorant, Mr. S. MOUXHLISSI (FacuCté des sciences d'EC Jadida), qui m'a aidé à améCiorer mon travaiC.

J'adresse mes vifs remerciements à tous Ces étudiants du Laboratoire de BiotechnoCogies Marine et de C'Environnement pour Ceurs soutiens. Ainsi à mes amis, Ces étudiants de Ca facuCté.

SOMMAIRE

I. INTRODUCTION GENERALE ...................................................... ..............................1

II. LA NITRIFICATION BIOLOGIQUE...................................................... .....................3

5-Facteurs du milieu influençant la croissance et l'activité des bactéries nitrifiantes ...5

III. LA DENITRIFICATION BIOLOGIQUE...................................................... ...............9

5-Facteurs du milieu influençant la croissance et l'activité des bactéries dénitrifiantes... ...11

IV. LES PROCEDES DE TRAITEMENT DE L'AZOTE CONTENU DANS LES EAUX USEES......... .13

MATERIEL ET METHODES..............................................................................................19 RESULTATSET DISCUSSION ..........................................................................................20 CONCLUSION GENERALE................................................................................................23 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...................................................... ............ 24

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 2 : comparaison entre l'eau usée brute et traitée dans un lit bactérien 20

LISTE DES FIGURES

Figure 2 : Transformation de l'azote durant la nitrification en absence d'inhibiteur ..6

Figure3 : Evolution des taux de croissance maximum en fonction de la température ..6

Figure 8: Schéma de la filière Lits d'infiltration-percolation sur sable .. 18

LISTE DES NOTATIONS ET ABREVIATIONS

Synthese Bibliographique

I. INTRODUCTION GENERALE

L'azote représente 78% de l'atmosphère gazeux, 4 à 6 % du poids sec d'un animal. Il constitue entre 16 et 23% des protéines cellulaires et environ 12% des acides nucléiques. Les organismes ont besoin d'azote pour fabriquer des protéines et des acides nucléiques. En plus, une grande partie des réactions biologiques de croissance requiert la présence de l'élément d'azote. Le cycle de l'azote est parfaitement connu et fait intervenir des réactions de fixation, de nitrification et de dénitrification.

La fixation de l'azote : correspond à la conversion de l'azote atmosphérique en azote utilisable par les plantes et les animaux. Elle se fait par certaines bactéries qui vivent dans les sols ou dans l'eau et qui réussissent à assimiler l'azote moléculaire N2. Cette fixation tend à produire des composés ammoniaqués tels l'ion ammonium NH4⁺ et l'ammoniac NH3. Il s'agit ici d'une réaction qui se fait par l'intermédiaire de substances organiques.

La nitrification : transforme les produits de la fixation (NH4⁺, NH3) en ions nitrite NO2^- puis en ions nitrate NO3^-. Cette réaction se produit grâce à des bactéries présentes dans les sols et dans l'eau :

La dénitrification : l'azote retourne à l'atmosphère sous sa forme moléculaire N2, avec comme produits secondaires du dioxyde de carbone CO2 et de l'oxyde d'azote N2O (gaz à effet de serre).

II. NITRIFICATION BIOLOGIQUE

1-Définition

La nitrification est un processus contrôlé par l'action de certains micro-organismes spécifiques, qui conduit à la transformation de l'ammoniaque ou de l'ammonium en nitrate, c'est à dire la conversion biologique de la forme réduite, NH4⁺, NH3 en la forme oxydée NO3.^-

Elle n'a pas d'impact sur le bilan global des écosystèmes, puisqu'elle n'ajoute ni élimine de l'azote, mais elle change uniquement son degré d'oxydation. C'est pour cela qu'elle a une importance capitale dans les écosystèmes, puisqu'elle est le lien entre les formes réduites et oxydées du cycle de l'azote. Elle permet l'oxydation de l'ammonium (produit par les hétérotrophes lors de la décomposition de la matière organique), le liant ainsi à la dénitrification. Elle est par conséquent l'intermédiaire entre la décomposition de la matière organique et la perte d'azote fixé dans l'écosystème.

2- Métabolisme nitrifiant

La nitritation qui est l'oxydation de l'ammonium en nitrites, et la nitratation qui est l'oxydation des nitrites en nitrates.

A. La reaction d Nitritation

La réaction de nitritation (oxydation de l'ammonium) est réalisée par les bactéries nitritantes (Nitrosomonas, Nitrosococcus , Nitrosopira etc.) est décrite par l'équation suivante :

En réalité, la nitritation proprement dite se déroule en deux étapes au cours desquelles l'ion ammonium s'oxyde d'abord en hydroxylamine. Cette réaction est catalysée par une enzyme, l'ammonium monooxygénase (AMO) localisée dans la fraction membranaire de la bactérie (Wood, 1986) , alors que la deuxième étape qui est la Oxydation

d'hydroxylamine en nitrite est catalysée par l'hydroxylamine oxydoréductase (HAO) enzyme périplasmatique (Hooper and Terry, 1979).

B. La reaction d Nitratation

La réaction de nitratation (oxydation des nitrites) est effectuée par les bactéries nitratantes (Nitrobacter, Nitrospira), selon la réaction suivante :

la formation de nitrite résulte de la mise en série de deux réactions d'oxydoréduction, Alors que l'oxydation du nitrite en nitrate se déroule en une seule étape (Henze et al., 1997). Selon les travaux de (Meinck et al. 1992), cette réaction impliquerait la nitrite-oxydoréductase (NOR), enzyme localisée dans le système membranaire des souches concernées.

3-Les types de nitrification

La nitrification Autotrophe : caractérisée par l'utilisation de substrats inorganiques

comme source d'énergie (donneurs d'électrons) pour la croissance et comme source

La nitrification hétérotrophe : les micro-organismes nitrifiants hétérotrophes utilisent le carbone organique comme source d'énergie et oxydent des composés azotés organiques ou inorganiques à une vitesse beaucoup plus faible que celle observée chez les autotrophes. Certains micro-organismes peuvent utiliser deux accepteurs d'électrons, l'oxygène et le nitrate, et atteignent, alors une croissance plus rapide qu'en utilisant l'oxygène seul. (Kester et al., 1997).

4- Type de micro-organismes

Deux groupes des bactéries sont spécialisées dans la fonction de la nitrification :

nitrosantes, ou nitreuses, ou ammonio-oxydantes), dont les noms de genre portent

Un groupe oxyde le nitrite en nitrate : ce sont les bactéries nitratantes (ou nitriques,

Nitrobacter, Nitrococcus , Nitrospira...),(Watson et al., 1989).

Cependant, de nombreux genres et espèces de bactéries nitrifiantes ont été identifiés.

Elles peuvent soit oxyder l'ammonium en nitrite (nitritation), soit oxyder le nitrite en nitrate

(nitratation). Il n'y a pas d'organisme connu qui puisse directement oxyder l'ammonium en

nitrate. Dans les sols, la nitritation est généralement attribuée à Nitrosomonas europaea et la

5-Facteurs du milieu influencant la croissance et l'activité des bactéries Nitrifiantes

D'une manière générale, la croissance des bactéries nitrifiantes est contrôlée par un

certain nombre de paramètres : disponibilité du substrat, température, oxygène dissous,

pH, pour lesquels il existe une limite de tolérance et un optimum. Une cinétique de

nitrification réalisée dans des conditions favorables aux micro-organismes nitrifiants est

Figure 2 : Schématisation des transformation de l'azote durant la nitrification en absence d'inhibiteur
(Anthonisen et al ., 1976)

La gamme des températures favorables à la nitrification est très large. La limite inférieure

serait 5°C (Jones and Hood, 1980), alors que la limite supérieure se situerait entre 40°C et 45°C

(Henze et al., 1997) . Dans cette large gamme, les micro-organismes nitrifiants présentent une

température optimale qui se situe entre 25 et 36°C. Les constantes de croissance (umax et KS)

dépendent fortement de la température. Les deux espèces nitrifiantes sont influencées par

la température : la vitesse maximale de croissance et l'affinité augmentent avec la

Figure 3 : Evolution des taux de croissance maximum en fonction de la température (Knowles 1965)

Cependant, à forte température (supérieure à 30°C), la vitesse maximale de croissance

de Nitrosomonas devienne supérieure à celle de Nitrobacter, alors que l'inverse est observé à

L'oxygène dissous est utilisé comme accepteur final d'électrons par les bactéries

nitrifiantes pour réaliser les réactions de la nitrification. De ce fait, une carence en oxygène

Plusieurs auteurs (Henze et al., 1997), ont établi que le taux de nitrification se maintient

à 100% pour des concentrations en oxygène dissous supérieures ou égales à 3 mg O2.L^-1. Le

Tableau suivant présente différentes valeurs des constantes d'affinité pour l'oxygène

données dans la littérature pour chacune des deux populations Nitritantes et Nitratantes.

Constantes d'affinité pour l'oxygène K02 ( mg 021^-1)		Auteurs
Nitritantes	0,25 - 0,3	Loveless (1968)
	0,25 - 0,3	Peeters et al., (1969)
	0,5 a 30°C	Bal melle et al (1991)
	0,5 - 1	Henze et al (1997)
Nitratantes	0,3 - 0,7	Stenstro m (1980)
	0,8 - 2,5	Peeters et al., (1969)
	1 A 30°C	Bal melle et al (1991)
	1 a 30°C	Henze et al (1997)

Les bactéries nitratantes sont donc plus sensibles aux faibles concentrations en

oxygène dissous, que les bactéries nitritantes. Cette tendance est confirmée par les

travaux d'Hanaki et al., 1990 qui ont observé une accumulation de nitrites et une

augmentation du taux de croissance des nitritantes pour des concentrations en oxygène

dissous d'environ 0,5 mg O2.L^-1. Dans ces conditions, la vitesse d'oxydation du nitrite décroît

Par ailleurs, autres chercheurs (Zhao et al., 2006) ont montré qu'à faible concentration

en oxygène il peut y avoir une dérive métabolique plus importante vers la production de

protoxyde d'azote (N2O), qui est un gaz totalement indésirable (gaz à effet de serre donc

La nitrification est inhibée par une large variété de composés. On peut citer notamment

les métaux lourds (comme le cuivre, le nickel, le cobalt, le zinc et le chrome), les amines, les

phénols, les composés sulfurés, chlorés et les composés cycliques azotés. Cependant, tous ces

composés ne sont pas inhibiteurs aux mêmes concentrations et il faut noter que les micro-

organismes nitrifiants possèdent une forte capacité d'adaptation (Martin, 1979).

III. LA DENITRIFICATION BIOLOGIQUE

1. Définition

Il s'agit d'un procédé biologique qui consiste à la réduction du nitrate en azote gazeux

via la formation des composés intermédiaires tels que le nitrite, l'oxyde nitrique et l'oxyde

La dénitrification est d'une grande importance écologique, puisqu'il s'agit de la voie

majeure de la perte d'azote fixé dans l'environnement. Elle occupe donc une place importante

dans le bilan de l'écosystème à l'échelle globale. La dénitrification est aussi un mode

respiratoire qui permet aux bactéries anaérobies facultatives de continuer à minéraliser du

carbone organique en l'absence d'oxygène moléculaire. Dans cette respiration, les oxydes

d'azote sont réduits depuis la forme nitrate jusqu'aux formes gazeuses de l'azote : N2, NO2, NO,

via le nitrite. Les bactéries dénitrifiantes influencent donc à la fois le cycle du carbone et celui

de l'azote, et leur impact varient en fonction de la tension locale en oxygène.

2. Métabolisme dénitrifiant

La dénitrification est un processus biologique au cours duquel les micro-organismes

impliqués utilisent les formes oxydées de l'azote comme accepteur finaux d'électrons dans

leur chaîne respiratoire, conduisant ainsi à la réduction du nitrate en azote gazeux via la

formation de composés intermédiaires qui sont le nitrite, l'oxyde nitrique et l'oxyde nitreux

(ou protoxyde d'azote). Comme illustre la figure suivante cette réaction est catalysée par

Chaque étape est catalysée par une enzyme particulière : nitrate réductase (NAR),

nitrite réductase (NIR), oxyde nitrique réductase (NOR) et enfin oxyde nitreux réductase

(N2OR). Les micro-organismes dénitrifiants ont besoin d'une source de carbone externe pour

la biosynthèse et pour la génération d'énergie (Dinçer et Kargi 2000). Cette présence

nécessaire d'un donneur d'électrons peut se traduire dans les procédés conventionnels de

3. Types de DenitrifiCatiOn

Deux types des bactéries dénitrifiantes doivent être distingués : Les Bactéries dénitrifiantes Hétérotrophe :

Les bactéries dénitrifiantes Hétérotrophe sont des micro-organismes aérobies-

anérobie facultatives capables de réduire le nitrate et le nitrite en azote gazeux dans des

conditions anaérobies. La particularité de ces micro-organismes réside dans leur faculté à

utiliser soit l'oxygène, soit les formes oxydées de l'azote comme accepteur final d'électrons

dans la chaîne respiratoire. Ces bactéries sont donc dites : aérobie-anoxie facultatives. Ces

micro-organismes utilisent ainsi du carbone d'origine organique comme source de carbone

Les Bactéries dénitrifiantes Autotrophe sont des micro-organismes capables de

réduire les formes oxydées de l'azote, en utilisant du dioxyde de carbone ou des

bicarbonates. Les bactéries du genre Paracoccus ou encore Thiobacillus, utilisent

respectivement le dihydrogène et des composés sulfurés réduits comme donneurs

Il existe donc une très grande diversité de genres bactériens capables de réaliser la

dénitrification. Mais dans cette étude, seules seront considérées les bactéries

4. Types de Micro-organismes

Les micro-organismes les plus fréquemment rencontrés dans le processus de la dénitrification sont des bactéries qui appartiennent au genre des Pseudomonas et des Alcaligenes. Parmi les Pseudomonas, l'espèce dominante est Pseudomonas fluorescens. Cependant, des bactéries d'autres genres peuvent aussi intervenir Achromobacter, Aerobacter, Bacillus, Micrococcus, Paracoccus (Knowles, 1982).

Il est à noter que certains micro-organismes ne peuvent réduire que le nitrite comme Alcaligenes acidovorans ou s'arrêtent au protoxyde d'azote comme Corynebacterium nephridii, Pseudomonas aurofaciens et Rhizobium japonicum (Kuenen et Robertson, 1987).

Les travaux de Thomsen et al. (2004) ont fait apparaître un nouveau genre: le genre Aquaspirillum de la famille des Neisseriaceae. Les bactéries du genre Aquaspirillum qui est abondant dans les stations d'épuration d'eaux résiduaires.

5. Facteurs du milieu influencant la croissance et l!activite des bacteries

denitrifiantes

Contrairement aux micro-organismes nitrifiants, les micro-organismes réalisant la

dénitrification sont beaucoup moins sensibles aux fluctuations de pH. Le pH optimum semble

se situer entre 7 et 8,7. La réaction de dénitrification est caractérisée par la consommation

des protons H⁺ et conduit à une élévation de pH. Il faut donc maintenir ce paramètre à une

valeur comprise entre 7 et 8.7, en fournissant des ions H⁺ au fur et à mesure de leur

La disponibilité en carbone organique est fondamental à l'activité des bactéries

dénitrifiantes hétérotrophes, car le substrat carboné fournit l'énergie nécessaire à leur

métabolisme et constitue l'élément de base de leurs synthèses cellulaires. Les faibles

performances de dénitrification biologique, résultant en général d'une limitation des eaux

usées en carbone bioassimilable, imposent l'apport d'une source de carbone exogène afin

d'améliorer les performances de traitement. Le méthanol et l'acétate sont les principaux

substrats carbonés synthétiques ayant été utilisés dans le domaine de la dénitrification des

IV - LES TECHNIQUES DU TRAITEMENT BIOLOGIQUE D'AZOTE CONTENU DANS LES EAUX USEES

Les eaux usées sont majoritairement traitées par voie biologique dans les stations d'épuration. Celle-ci regroupe l'ensemble des processus qui permettent l'épuration des eaux usées de telles façons que l'eau retrouve sa qualité d'origine après une pollution. Ces techniques utilisent l'activité des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes pour se débarrasser de la pollution azotée. Le traitement biologique conventionnel de l'azote des eaux usées par voie biologique se réalise en deux étapes : oxydation de l'azote ammoniacal par une flore nitrifiante aérobie et réduction du nitrate en azote moléculaire par une flore dénitrifiante en conditions anoxiques. Ces micro-organismes peuvent être utilisés soit en culture libre (Procédés à biomasse libre ou système à boues activées), soit en culture fixé (Procédés à biomasse fixée).

1- Les Procédés a Biomasse Libre

Les procédés à biomasse libre ont pour fonction d'éliminer la pollution carbonée et azotée. Les étapes de nitrification et dénitrification ont généralement lieu dans des bassins où co-existent à la fois des bactéries autotrophes et hétérotrophes. La réalisation de la nitrification et de la dénitrification par cette culture mixte nécessite donc d'alterner des conditions aérobie et anoxie. Par ailleurs, pour une bonne dénitrification, il est nécessaire de disposer d'une quantité suffisante de carbone biodégradable, qu'elle provienne de l'effluent à traiter ou par l'ajout supplémentaire.

A. Les boues activées

L'installation des boues activées dans le traitement des eaux usées ont tout d'abord été conçues pour éliminer successivement les pollutions carbonées et azotées. La boue activée est composée essentiellement de microorganismes floculants, qui sont mélangées avec de l'oxygène dissous et de l'eau usée. Les micro-organismes de la boue activée entrent constamment en contact avec les polluants organiques des eaux résiduaires, ainsi qu'avec l'oxygène, et sont maintenus en suspension.

Figure 5 : schéma général d'une boue activée (d'après Barnard et al., 1998)

Après le passage par une zone de contact, l'eau usée est admise dans un bassin d'aération contenant la biomasse épuratrice en suspension (boues activées).Le bassin d'aération est équipé d'un système d'aération fonctionnant en discontinu (une dizaine de cycles d'aération par jour).La nitrification s'effectue durant les phases aérobies et la dénitrification durant les phases d'anoxie. Ce procédé nécessite l'ajout d'une source de carbone externe au niveau du bassin de dénitrification (méthanol ou acétate).

Afin d'éviter l'ajout de carbone organique coûteux, Ludzack-Ettinger ont proposé un modèle où la dénitrification utilise le nitrate produit dans la zone aérobie, ce qui nous permet d'éviter l'ajout de carbone supplémentaire.

B. Le Proc~d~ Ludzack-Ettinger

Ludzack-Ettinger ont proposé un système où la dénitrification utilise le carbone présent dans l'effluent, qui passe successivement dans le bassin anoxique et le bassin aérobie (Figure 6). Le nitrate produit dans la zone aérobie est recyclé pour être dénitrifié dans la zone anoxique.

Dans le cas où l'effluent ne présente pas un rapport DCO/N suffisant pour réaliser une dénitrification complète des nitrates produits, il est alors nécessaire de placer une post-dénitrification après le bassin aérobie avec ou sans ajout de carbone.

Cette configuration a l'avantage d'optimiser l'utilisation de la DCO contenue dans l'effluent et de limiter la déstabilisation de la flore nitrifiante par la croissance des hétérotrophes. ce modèle a été largement utilisé avec des performances de 85 à 95% d'élimination de l'azote ammoniacal et des concentrations finales inférieures à 10 mg N.L^-1 (Cooper et al., 1994).

2- Les procédés a biomasse fixée

Afin d'augmenter l'activité spécifique de la biomasse, la formation d'un biofilm à l'intérieur du réacteur est apparue comme une solution intéressante. Le principe repose sur l'utilisation de la capacité naturelle des micro-organismes, à se fixer sur un support solide et à former une matrice de polymères biologiques. Parmi les réacteurs à cultures fixées, on distingue plusieurs catégories : le lit bactérien, les biodisques, procédés anciens aux performances modestes et enfin les réacteurs à lit mobile. Les lits fixes actuellement utilisés dans le traitement azoté des eaux usées .Malgré une phase de colonisation parfois très lente (60 à 100 jours), les procédés à biofilm Permettent une excellente rétention de biomasse et une concentration en biomasse élevée. Par ailleurs, des études ont montré une sensibilité moindre aux faibles températures (Tanaka et al., 1996) et aux agents inhibiteurs (Hunik et al., 1992).

A- Le iftre a ruisseffement ou fit bacterien

C'est le système à cellules immobilisées le plus largement utilisé. Dans ce type de réacteur, la biomasse est fixée sur un support solide circulaire surmonté d'un distributeur rotatif. L'effluent à traiter est introduit par le haut et s'écoule par gravité sur le lit bactérien (Figure 7). Les matériaux supports ont tout d'abord été constitués de gros morceaux de pierre avec une surface relative assez limitée. Dorénavant des supports en plastique à faible densité (polystyrène) sont couramment utilisés et offrent des surfaces relatives importantes .L'injection d'air pour la nitrification se fait par le fond du lit (Andersson et al., 1994).

L'azote des eaux usées admises sur un lit bactérien est dégradé par ruissellement sur un matériau inerte, traditionnel ou « plastique », colonisé par un biofilm. Ce biofilm est composé d'une pellicule superficielle aérobie de faible épaisseur, riche en bactéries provenant de l'influent et d'une pellicule plus profonde anaérobie qui tend à s'épaissir.

L'élimination de l'azote s'effectue essentiellement via les processus d'assimilation par les bactéries et la nitrification.

B. Lits d'infiltration-percolation sur sable

Dans les lits d'infiltration-percolation, la biomasse épuratrice est fixée sur les grains de sable et localisée principalement dans les trentes premiers centimètres du massif filtrant.

Afin de préserver un équilibre fragile entre l'efficacité de traitement, le maintien d'une conductivité hydraulique suffisante au regard de la finesse du matériau et les risques d'engorgement biologique, des périodes de non alimentation doivent être ménagées. Pour ce faire, une station est normalement constituée de trois massifs filtrants en parallèle, dont un seul est alimenté pendant trois ou quatre jours .Alors que les deux autres sont au repos pour une semaine. L'oxydation des composés azotés se déroule sous deux formes :

Nitrification directe de l'azote ammoniacal au cours de la migration dans le massif tant que l'aération le permet localement.

Nitrification décalée de l'azote réduit préalablement absorbé sur le biofilm qui s'opère progressivement pendant la phase de repos.

Elle se traduit par un important lessivage de nitrates avec l'eau des premières bâchées, dont la concentration peut largement excéder la teneur moyenne des eaux usées en azote réduit.

Enfin de phase d'alimentation, une dénitrification conjointe peut se produire simultanément dans des zones du massif filtrant devenues anoxiques, sans qu'il soit cependant aisé de la quantifier.

Figure 8 : Schéma de la filière Lits d'infiltration-percolation sur sable

La contrainte majeure garantissant le bon fonctionnement d'une station par lits d'infiltration percolation est l'alternance des phases d'alimentation et de repos qui doit normalement s'opérer deux fois par semaine. Il est essentiel, en effet, pour que le processus de nitrification ait lieu, que le massif soit correctement oxygéné et par conséquent ressuyé pendant la période de repos.

Cette étude consiste à analyser la qualité physico-chimique des eaux usées brutes et traitées par un réacteur biologique à lit bactérien fixé. Les paramètres analysés sont : nitrates, ammonium, azote total Kjeldahl et la matière organique biodégradable.

L'eau usée analysée à différentes dilutions et après ensemencement bactérien, elle est maintenu en incubation soit dans des flacons de Winkler, pendant 120 heures à la température de 20°C et dans l'obscurité. Le résultat exprimé en mg d'O2/L traduit la quantité d'oxygène consommée par les microorganismes pour dégrader la matière organique biodégradable contenue dans l'eau à analysée.

Dans un bloc de minéralisation, l'azote organique est transformé en azote ammoniacal à l'aide d'une digestion à l'acide sulfurique en présence d'un catalyseur (sulfate de cuivre, sulfate de potassium). L'ammoniaque, déplacée par une base forte, est distillé puis on dose l'ammoniaque par acidimétrie après distillation et les résultats sont exprimés en mg/L.

Après filtration, le dosage de l'azote ammoniacal en mg/L selon la méthode colorimétrique au réactif de Nessler.

Après filtration, dosage des nitrates exprimés en mg/L par la méthode colorimétrique au salicylate de sodium.

Résultats et Discussion

Après passage dans le lit bactérien les concentrations des différents paramètres ont été diminués. Comme nous montre le tableau 2 :

Tableau 2 : comparaison entre l'eau usée brute et traitée dans un lit bactérien

Paramètres en (mg/l)	Eaux usées Brutes	Eaux usées épurées
DBO5	810,2	320
NKT	75,6	53,2
NH4⁺	104,4	32
NO3^-	1,9	0,53

D'après les résultats obtenus lors des essais de traitement des eaux usées dans un réacteur à lit bactérien immergé on constate que pour :

1000 800 600 400 200

Eaux usées Brutes Eaux usées épurées

On remarque que la DBO5 des eaux usées brutes est importante que celle des eaux usées après traitement, donc on peut déduire que les eaux usées brutes sont riches en matière organique, qui est utilisée par les bactéries pour fournir les besoins énergétique nécessaire à leur croissance. Ainsi la diminution de la DBO5 après épuration peut s'expliquer par la dégradation de la matière organique par les bactéries.

Les résultats montrent qu'il ya une variation de la concentration des différentes formes de l'azote après traitement de l'eau usée brute.

En effet, on remarque que la concentration de l'azote total (N-NTK) diminue en passant de l'eau usée brute vers l'eau usée traitée.

80 70 60 50 40 30 20 10 0

	Eaux usées Brutes Eaux usées épurées

On remarque aussi que la concentration du Nitrate (NO3^-) a diminué par rapport à l'eau usée brute .Ce qui peut être expliqué par la consommation de nitrate par la flore dénitrifiante, qui transforme les formes oxydés de l'azote (NO3^-) en azote moléculaire N2.

Ainsi on constate que la concentration de l'ammonium (NH4⁺) dans l'eau usée traitée est moins importante que celle de l'eau usée brute.

120 100 80 60 40 20 0

	Eaux usées Brutes Eaux usées épurées

Cette diminution de la concentration de l'ammonium peut être expliquée par sa transformation par la flore nitrifiante qui oxyde l'ammonium NH4⁺ en nitrate NO3-.

Conclusion

CONCLUSION

L'épuration des composés azotés des eaux usées est possible grâce aux processus de nitrification et de dénitrification. Ces phénomènes sont à l'origine de flux de matière qui permettent de transformer les formes minérales nuisibles de l'azote en formes inertes. Cette dépollution s'effectue par l'intermédiaire des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes.

Ces deux processus sont influencés par plusieurs facteurs et paramètres qu'on doit prendre en compte pour une bonne élimination des composés contenus dans les eaux usées.

Lors d'une expérimentation réalisée au laboratoire de Biotechnologie marine et de l'environnement qui consiste à analyser la qualité physico-chimique des eaux usées brutes et traitées par un réacteur biologique à lit bactérien fixé. Les paramètres analysés sont : nitrates, l'ammonium, azote total Kjeldahl et la matière organique biodégradable. Nous avons remarqué une diminution de la concentration de ces éléments qui est due à leurs transformations par la flore nitrifiante-dénitrifiantes présente dans le lit bactérien.

Références Bibliographiques

High rate nitrifying trickling filters. Water Science and Technology.;29(10-11):47-52.

Inhibition of nitrification by ammonia and nitrous acid. J. Water Pollut. Control Fed., 48, 835-852.

Physiology, biochemistry, and specific inhibitors of CH4, NH4+, methanotrophs and nitrifiers. Microbiol. Rev. 53 [1], pp 68-84.

Nitrifying bacteria. Eds. HG Schlegel & B Bowien, Autotrophic bacteria - Science Tech Publishers, Madison, Wisconsin, pp 81-96.

Traitement biologique d'effluents azotés avec arret de la nitrification au stade nitrite , these de doctorat l'ecole notional Superieur agronomique de Montpellier.

Coupling wetland treatment to land treatment - An innovative method for nitrogen stripping. Water Science and Technology.;29(4):141-149.

Kinetics of sequential nitrification and denitrification processes. Enzyme and Microbial Technology 27, pp 37-42.

Document technique FNDAE n^o 25 (Ministere de la péche et agriculture Francaise 2006) Traitement de l'azote dans les stations d'épuration biologique des petites collectivités

Mesure et modélisation de la dénitrification dans les sols drainés, Diplôme
d'Ingénieur de Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg

Nitrification en Sédiment déeau douce: incidence de rejets de station d'épuration sur la dynamique de communautes nitrifiantes , these de doctorat Université Claude-Bernard

Effects of the activity of heterotrophs on nitrification in a suspended-growth reactor. Water Research 24, pp 289-296.

Wastewater Treatment - Biological and Chemical Processes. Springer 2^nd Edition.

Hydroxylamine oxidoreductase of Nitrosomonas production of nitric oxide from hydroxylamine. Biochim. Biophys. Acta, 571, 12 - 20.

Effects of temperature, pH, salinity, and Inorganic Nitrogen on the rate of ammonium oxidation by Nitrifiers Isolated from Wetland Environments. Microb. Ecol., 6, 339 - 347.

Nitrification en sol acide, I : Mise en évidence de germes autotrophes nitrifiants (genre Nitrobacter) dans un sol forestier sous résineux. Rev. Ecol. Biol.

Etude de la nitrification partielle d'eaux ammoniacales dans un bioréacteur membranaire

Contribution of nitrification and denitrification to the NO and N O emissions of an acid forest soil, a river sediment and a fertilized grassland soil. Soil Biology & Biochemistry. 1997;29(11-12):1655-1664. 2

Determination of kinetic constants for nitrifying bacteria in mixed culture, with the aid of an electronic computer. Journal of General Microbiology. 1965;38:263-278.

Nitrite oxidoreductase from Nitrobacter hamburgensis : redox centers and their catalytic role. Arch. Microbiol., 158, 127 - 131.

Le problème de l'azote dans les eaux. Ed. Tech & Doc, Lavoisier - Paris, France.

Analyse et modélisation de la nitrification partielle et de la précipitation concomitante du phosphore dans un réacteur à alimentation séquencée, these de doctorat Génie des Procédés et de l'Environnement, L'Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse

Combined heterotrophic nitrification and aerobic denitrification in Thiosphaera pantotropha and other bacteria. Antonie van Leeuwenhoek.;57:139-152.

Ecology of denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium. In: Zehnder AJB, ed. Biology of Anaerobic Microorganisms. New York: John Wiley and sons; 179-244.

Micromanipulation and further identification of FISH-labelled microcolonies of a dominant denitrifying bacterium in activated sludge. Environmental Microbiology.;6(5):470-479.

Mise au point d'un procédé biologique compact de dépollution (Etude de l'élimination du carbone de l'azote et du phosphore). Thèse de doctorat en Chimie Industrielle. INSA de Toulouse. N°54.

Nitrification as a bacterial energy source. In : Prosser J.I. (ed.), Nitrification, IRL Press, Washington, DC, 39- 62.

Nitrifying bacteria. In : Bergey's manual of systematic bacteriology, Holt J.G. et al. (ed.), Williams and Wilkins Co, Baltimore, 1822 - 1834.

An extension of Darcy's law to non-Stokes flow in porous media. Chem. Eng. Sci., 55, 2727 - 2735.

Application de la nitrification dénitrification dans le traitement des eaux usées

Titre :

Résumé :

Abstract :

SOMMAIRE

IV. LES PROCEDES DE TRAITEMENT DE L'AZOTE CONTENU DANS LES EAUX USEES......... .13

LISTE DES TABLEAUX

LISTE DES FIGURES

LISTE DES NOTATIONS ET ABREVIATIONS

Synthese Bibliographique

I. INTRODUCTION GENERALE

II. NITRIFICATION BIOLOGIQUE

1-Définition

2- Métabolisme nitrifiant

A. La reaction d Nitritation

B. La reaction d Nitratation

3-Les types de nitrification

4- Type de micro-organismes

5-Facteurs du milieu influencant la croissance et l'activité des bactéries Nitrifiantes

III. LA DENITRIFICATION BIOLOGIQUE

1. Définition

2. Métabolisme dénitrifiant

3. Types de DenitrifiCatiOn

4. Types de Micro-organismes

5. Facteurs du milieu influencant la croissance et l!activite des bacteries

denitrifiantes

IV - LES TECHNIQUES DU TRAITEMENT BIOLOGIQUE D'AZOTE CONTENU DANS LES EAUX USEES

1- Les Procédés a Biomasse Libre

A. Les boues activées

B. Le Proc~d~ Ludzack-Ettinger

2- Les procédés a biomasse fixée

A- Le iftre a ruisseffement ou fit bacterien

B. Lits d'infiltration-percolation sur sable

Matériels et Méthodes

Résultats et Discussion

Conclusion

CONCLUSION

CONCLUSION

Références Bibliographiques

Références Bibliographiques