9 PONDS DE STABILISATION DES DÉCHETS

Les bassins de stabilisation des déchets sont une série d’un ou plusieurs bassins hypereutrophes, généralement de 1 à 2 m de profondeur. En raison de l’activité algale, les bassins de stabilisation des déchets ont généralement des niveaux élevés d’oxygène dissous et des valeurs de pH élevées. Ils ont des coûts de fonctionnement très faibles et sont simples à construire, la principale dépense étant généralement le coût du terrain. La simplicité physique des WSP masque la complexité des mécanismes d’élimination des pathogènes qui s’y déroulent. En effet, contrairement aux systèmes que nous avons considérés ci-dessus, les WSP peuvent être conçus pour optimiser l’élimination des pathogènes et les performances de deux systèmes sur un même site peuvent varier de 3 à 4 ordres de grandeur. Notre appréciation croissante du mécanisme par lequel ceci est réalisé n’a pas encore été complètement incorporée dans les équations de conception et la conception de tels systèmes est encore relativement rudimentaire. Néanmoins, une bonne compréhension de ces mécanismes est inestimable pour la conception des WSP.

Les bassins d’algues à haut débit (HRAP) sont des bassins de stabilisation des déchets spécialement conçus dans lesquels la population d’algues est doucement brassée mécaniquement, généralement dans une certaine forme de configuration en circuit fermé pour optimiser la production d’algues. Bien que leur fonctionnement soit plus difficile et plus coûteux que celui des bassins d’algues, les HRAP ne sont pas différents des WSP du point de vue des pathogènes bactériens. Les HRAP atteignent également des concentrations élevées (parfois plus élevées) de pH et d’oxygène dissous et présentent des taux d’élimination des indicateurs élevés correspondants (Bahlaoui et al., 1997).

Les coliformes fécaux sont les organismes les plus couramment utilisés pour surveiller l’élimination des pathogènes dans les stations d’épuration des eaux usées. Cet indicateur a été comparé à d’autres indicateurs et aux salmonelles, campylobacter (voir Fig. 30.1) et à V. cholerae 01 (Curtis, 1996) et s’est révélé adéquat. Les campylobacter sensibles à l’oxygène meurent vraisemblablement à cause des concentrations élevées d’oxygène. L’élimination de V. cholerae Ol est un peu plus mystérieuse, car on a signalé que le V. cholerae non pathogène, étroitement apparenté, se développe dans le WSP (voir Curtis, 1996 pour une revue complète). On a récemment découvert que le gène de la toxine qui distingue les organismes pathogènes de la forme non pathogène est codé par un bactériophage filamenteux qui est incorporé dans le chromosome de l’organisme. Ce phage est induit par la lumière du soleil (Faruque et al., 2000). Cela diminue le taux de croissance des organismes et pourrait laisser l’organisme toxigène à un désavantage suffisant pour inhiber sa survie dans un WSP.1

Les mécanismes d’élimination des coliformes fécaux sont sans surprise, multifactoriels (Troussellier et al., 1986). Cependant, les facteurs peuvent être divisés en rapides et lents. Les facteurs rapides (3-0,1 log/h) sont la photo-oxydation et le pH et sont associés à la lumière et donc aux parties supérieures du bassin pendant les heures de jour. Les facteurs lents (> 0,1 log/h) sont moins bien définis et comprennent vraisemblablement l’inanition, la prédation et l’adsorption aux solides. Les processus lents sont indépendants de la lumière et on pense qu’ils fonctionnent en permanence à toutes les profondeurs. Bien que la plupart des recherches se soient concentrées sur les facteurs rapides, leur importance relative dépend de la profondeur et de l’emplacement des PSM. Les PSM sont hétérogènes dans l’espace et dans le temps. Ainsi, le sort d’une bactérie pathogène dans un PSM dépend non seulement de la durée de son séjour dans ce bassin, mais aussi de la partie du bassin qu’elle traverse et du moment de la journée où elle le traverse.

Dans la photo-oxydation, la lumière tue un organisme lorsque l’énergie de la lumière est absorbée par un produit chimique ou sensibilisateur. Le sensibilisateur entre dans un état excité de courte durée dans lequel il peut transmettre l’énergie lumineuse à l’oxygène et former des formes toxiques d’oxygène, notamment l’oxygène singulet, les radicaux hydroxyles, les radicaux super-oxydes ou le peroxyde d’hydrogène. Les formes toxiques d’oxygène tuent la cellule en oxydant les composants cellulaires vitaux (Curtis, et al., 1992).

Le taux de photo-oxydation augmente linéairement avec la concentration en oxygène, vraisemblablement parce que l’augmentation de la concentration en oxygène augmente la probabilité que le sensibilisateur excité rencontre une molécule d’oxygène. En outre, le processus est synergique avec le pH, du moins pour certains organismes (Davies-Colley et al., 1999). L’origine de cette synergie n’est pas claire ; elle pourrait être due au fait que les radicaux oxygénés endommagent la membrane, rendant ainsi les cellules sensibles à des valeurs de pH élevées. Cela pourrait également être dû au fait que les valeurs de pH élevées prolongent la vie des radicaux hydroxyles. Étant donné que même la lumière rouge de grande longueur d’onde a suffisamment d’énergie pour créer de l’oxygène singulet, toute longueur d’onde de lumière visible ou ultraviolette peut provoquer des dommages photo-oxydatifs. Ainsi, l’importance relative d’une longueur d’onde donnée est régie par la nature du sensibilisateur, les longueurs d’onde de la lumière concernées et la capacité relative de ces longueurs d’onde à pénétrer dans un bassin. Dans les WSP, le principal sensibilisateur des coliformes fécaux est constitué par les substances humiques présentes naturellement dans les eaux usées. D’autres organismes peuvent avoir d’autres sensibilisateurs, y compris des sensibilisateurs à l’intérieur de la cellule (Davies-Colley et al., 1999).

On pense également que des valeurs de pH élevées sont responsables de certains processus d’élimination rapide. Je pense que la mort survient lorsque la bactérie n’est plus capable d’acidifier son propre cytoplasme. Cela expliquerait pourquoi la relation entre le taux d’élimination et le pH n’est pas linéaire, les valeurs de pH inférieures à une certaine valeur seuil ayant peu ou pas d’effet sur l’élimination des indicateurs bactériens. En travaillant avec de l’eau d’étang réelle, Parhad et Rao (1974) et Curtis (1991) ont rapporté une valeur seuil de pH d’environ 9,3, tandis que Pearson et al. (1987), travaillant en tampon, ont rapporté un seuil de pH 8,9. Une quantité considérable d’énergie est nécessaire à une cellule pour acidifier son cytoplasme (Booth, 1985), donc le seuil représente probablement le point auquel ce mécanisme homéostatique est dépassé. En utilisant des conditions de faible teneur en nutriments, Pearson et al. (1987) ont artificiellement abaissé la valeur seuil du pH. Ainsi, dans les bassins réels, l’élimination très rapide liée au pH ne se produira qu’au-dessus du seuil plus élevé.

Des travaux plus nombreux et de meilleure qualité (notamment des travaux quantitatifs et de modélisation) restent à faire sur les processus rapides. Cependant, il est clair que l’excellente élimination observée dans les WSP sous des climats chauds est intimement liée aux conditions hypereutrophes observées dans les WSP. Il s’ensuit que les concentrations d’algues devraient vraiment figurer dans la conception de l’élimination des pathogènes bactériens et que les propositions de bassins très clairs (James, 1987) ne fonctionneraient probablement pas.

Les processus indépendants de la lumière pourraient être dirigés par une variété de facteurs, dont les plus évidents sont la famine, la prédation et l’adsorption sur les algues. Quels que soient les mécanismes obscurs, ils seront certainement très importants partout où les effets du pH et de la photo-oxydation sont retardés par la profondeur ou l’emplacement du bassin, par exemple dans les VJSP ou WSP profonds en hiver dans les climats tempérés. Malheureusement, il n’y a pratiquement pas eu d’étude systématique de ces facteurs dans les étangs. Dans un excellent article, Trousellier et al. (1986) ont recherché des relations linéaires entre un certain nombre de facteurs interdépendants dans le WSP et l’élimination des coliformes fécaux dans le sud de la France. Une faible relation négative a été trouvée entre les concentrations d’algues et les coliformes fécaux, mais pas entre les organismes indicateurs et la DBO5 ou la concentration de rotifères. Cependant, si les effets n’étaient pas linéaires ou relativement peu importants sur ce site d’étude, par rapport aux effets de la lumière et du pH (qui étaient significatifs), alors l’étude ne les trouverait pas significatifs.

Bien sûr, les processus d’élimination les plus rapides seront inefficaces si les agents pathogènes bactériens ne restent pas très longtemps dans le système. À l’inverse, même un taux d’élimination lent peut être adéquat s’il est enduré pendant suffisamment longtemps. Il y a toujours eu une incertitude quant à la nature du régime hydraulique dans les PSF. Récemment, un certain nombre d’auteurs ont souligné l’importance du court-circuitage dans l’élimination des agents pathogènes dans les PSF (James, 1987 ; Fredrick et Lloyd ; 1996 ; Salter et al., 1999). Cependant, il faut noter que le court-circuitage est implicite dans l’hypothèse originale de Marais (1974) d’un mélange complet (une partie de l’influent se retrouvera instantanément dans l’effluent). De plus, des travaux d’enquête récents ont montré que les bassins se rapprochent grossièrement des réacteurs à mélange complet (Nameche et Vasel, 1998) et, pour l’instant, cette hypothèse peut être conservée et peut-être utilisée conjointement avec un petit facteur de sécurité.

À l’heure actuelle, dans la pratique, la meilleure façon de réduire l’impact du court-circuitage est d’utiliser plus d’un bassin en série (Mara, 1976). D’autres moyens d’améliorer l’hydrodynamique des PSM, par exemple des chicanes, sont concevables. Cependant, pour être utilisables, ces améliorations ne doivent pas porter préjudice aux autres caractéristiques du WSP. Par exemple, en favorisant l’accumulation de solides et la génération de sulfures, les déflecteurs dans les WSP facultatifs peuvent provoquer des odeurs et nuire à la photosynthèse. En plus d’être utilisées dans la conception, les améliorations doivent être prévisibles. J’espère que l’intérêt actuel pour l’utilisation de la dynamique des fluides computationnelle produira des modèles vérifiés et suffisamment bon marché pour justifier leur utilisation généralisée dans l’optimisation de la conception des WSP pour l’élimination des agents pathogènes.