Dans Usines municipales et industrielles d’épuration des eaux usées (WWTP) , la défaillance de la nitrification est souvent attribuée à un faible taux d’oxygène dissous, à un âge insuffisant des boues ou à des chocs toxiques. Cependant, dans un grand pourcentage des cas, la véritable cause profonde est bien plus fondamentale : Épuisement de l’alcalinité et défaillance du tampon .
Lorsque l’alcalinité est insuffisante, le pH commence à baisser. Une fois la capacité tampon effondrée, les bactéries nitrifiantes perdent rapidement leur activité — et la percée de l’ammoniac s’ensuit.
Alcalinité vs pH : pourquoi la capacité de tampon est plus importante que les relevés instantanés
De nombreuses plantes surveillent continuellement le pH mais suivent rarement leur alcalinité avec la même discipline.
- pH reflète la concentration actuelle d’ions hydrogène.
- Alcalinité reflète la capacité du système à résister aux variations de pH — sa capacité de neutralisation acide.
L’alcalinité est mesurée en mg/L sous forme de CaCO₃ par titration à pH 4,5. Dans les eaux usées municipales, l’alcalinité se compose généralement de :
- Bicarbonate (HCO₃⁻) — fraction dominante
- Carbonate (CO₃²⁻)
- Hydroxyde (OH⁻)
Parce que la nitrification génère de l’acidité, l’alcalinité agit comme principal mécanisme de défense contre l’instabilité du système biologique.
Principe clé :
Le pH est un indicateur de symptômes. L’alcalinité est un indicateur de stabilité.
La stœchiométrie de la nitrification : pourquoi l’effondrement se produit plus vite que prévu
La nitrification consomme l’alcalinité selon une chimie de réaction fixe :
- 1 mg de NH₄⁺-N oxydé consomme ~7,14 mg d’alcalinité (sous forme de CaCO₃)
- 1 g de DBO₅ retiré consomme ~0,3 g d’alcalinité
Dans des conditions riches en ammoniac, cette demande est importante. Par exemple :
Si influent NH₄⁺-N = 40 mg/L
→ Consommation d’alcalinité ≈ 286 mg/L
De nombreux influents municipaux ne contiennent que 200 à 300 mg/L d’alcalinité. Sans supplémentation, le système s’acidifiera inévitablement.
Les facteurs de risque incluent :
- Systèmes de nitrification complète à haute fréquence de fréquence
- Dilution par temps humide réduisant l’alcalinité influente
- Eaux usées industrielles à faible capacité de tampon
- Élimination chimique simultanée du phosphore
Une fois que l’alcalinité résiduelle descend en dessous des niveaux critiques, la baisse du pH s’accélère rapidement.
Cibles de contrôle critiques pour la nitrification stable des boues activées
Basé sur des données de performance à grande échelle de l’usine :
Plage optimale de pH de nitrification : 6.8–8.2
Seuils d’avertissement :
- pH < 6,5 → le taux de nitrification diminue
- pH ≈ 6,0 → la nitrification s’arrête presque
Cibles recommandées pour le contrôle de l’alcalinité :
- Alcalinité influente ≥ 1,5 × demande théorique de nitrification
- Maintenir une alcalinité résiduelle de 50 à 150 mg/L (minimum)
- Systèmes sensibles d’élimination des nutriments : 200–300 mg/L résiduel
Lorsque l’alcalinité devient limitante, les opérateurs peuvent observer :
- Montée de l’ammoniac des effluents
- Accumulation de nitrites
- Augmentation de l’IVS (>150 mL/g)
- Croissance filamenteuse
- Valeurs de pH plus basses le matin
- Un DO adéquat mais une mauvaise élimination de l’ammoniac
Ce n’est pas un problème d’oxygène — c’est un problème de tampon.
Stratégies pratiques de supplémentation en alcalinité
Lorsque l’alcalinité naturelle influente est insuffisante, une supplémentation chimique devient nécessaire.
Sources courantes d’alcalinité
| Chimique | Force | Notes opérationnelles |
|---|---|---|
| Hydroxyde de sodium (NaOH) | Réponse forte et rapide | Coût plus élevé, risque de changement rapide de pH |
| Carbonate de sodium (Na₂CO₃) | Modéré | Action tampon plus sûre |
| Citron vert (Ca(OH)₂) | Économique | Manipulation de boues et risque d’étartrissement |
| Hydroxyde de magnésium | Tampon à libération lente | Risque de suralimentation réduit |
Bonnes pratiques :
La dose est basée sur la charge d’ammoniac, pas seulement sur le contrôle du point de consigne du pH.
Emplacements optimaux d’injection
- Conduite de boue activée (RAS) de retour
- Canal influent avant l’aération
- Bassin d’égalisation
Évitez les chocs localisés à pH élevé dans les cuves d’aération.
Philosophie de contrôle
Le contrôle réactif (attendre l’alarme de pH bas) arrive souvent trop tard.
Les stratégies proactives incluent :
- Tests d’alcalinité de routine (≥3 fois par semaine)
- Dosage à avance de flux basé sur la charge NH₄⁺
- Point de consigne d’alcalinité résiduelle (par exemple, minimum 100 mg/L)
- Boucles de contrôle alcalinité-ammoniac intégrées par SCADA
Considérations intégrées pour l’élimination des nutriments
Dans les systèmes BNR, la gestion de l’alcalinité devient plus complexe.
Impact sur l’EBPR
- pH < 7 réduit la compétitivité des PAO
- Les GAO deviennent plus dominantes
- Diminution de l’efficacité biologique de l’élimination du phosphore
Élimination chimique du phosphore
Les sels ferriques et d’aluminium consomment une alcalinité supplémentaire, ce qui augmente encore la demande de tampon.
Ainsi, la stabilité de la nitrification, l’élimination du phosphore et le contrôle de l’alcalinité sont interconnectés — et non des variables indépendantes.
Recommandations d’ingénierie et opérationnelles
Pour éviter l’effondrement de la nitrification à long terme :
- Alcalinité influente de conception ≥ 200 mg/L (base municipale)
- Fournir une capacité de stockage d’alcalinité pendant plusieurs jours
- Systèmes de dosage de taille pour les charges d’ammoniac de pointe
- Surveillez les tendances de l’alcalinité — pas seulement les valeurs ponctuelles
- Préparez des stratégies d’ajustement saisonnier
Rappelez-vous :
- Le pH indique l’état actuel
- L’alcalinité prédit la stabilité future
La plupart des effondrements de nitrification ne sont pas des événements soudains — ils constituent la dernière étape d’une diminution progressive de l’alcalinité.
La nitrification stable n’est pas obtenue uniquement en augmentant l’aération. Elle est maintenue en protégeant la capacité tampon du système biologique.