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Le vieillissement des infrastructures, la croissance démographique et le renforcement progressif des exigences en matière de qualité des rejets constituent des défis majeurs pour la modernisation des stations d’épuration (STEP) en Suisse. Actuellement, 58% des STEP suisses sont des installations conventionnelles à boues activées fonctionnant en flux continu [1]. La capacité de ces stations est souvent limitée par les performances de décantation des boues, qui présentent généralement de fortes variations saisonnières. La mise en œuvre de technologies de boues (activées) densifiées (DAS, pour Densified Activated Sludge) constitue une option attractive pour augmenter les capacités de traitement sans augmentation de volumes de bassins. La densification améliore la décantabilité des boues et permet ainsi de fonctionner à des concentrations plus élevées de matières en suspension (MES).
Dans les installations à flux continu, la densification est obtenue à la fois par l’adaptation des conditions opératoires favorisant la densification des agrégats, et par une sélection physique des agrégats les plus denses au moyen d’hydrocyclones. Les boues de la surverse, ayant une mauvaise décantabilité, sont purgées, tandis que les boues de la sous-verse, ayant une bonne décantabilité, sont renvoyées en tête de station.
Depuis 2015, plusieurs STEP en Suisse ont implémenté une technologie DAS (inDENSE® ou S::Select®). Alors que certaines installations présentent déjà des résultats prometteurs en termes de densification, d’autres se trouvent encore dans une phase de démarrage. Toutefois, les performances de densification observées sur ces différentes STEP, ainsi que les conditions opératoires ayant permis la formation de granules, demeurent encore largement méconnues. L’objectif de la présente étude est donc de dresser un état des lieux de la densification sur ces STEP. Les questions suivantes ont été abordées
Des campagnes de mesures menées au printemps 2025, complétées par des collectes de données supplémentaires, ont été réalisées sur les STEP de Blindei, Glarnerland, Gossau, Höfe, Laufäcker, Morgental, Neugut, Schönau, Untermarch et Werdhölzli. Alors que la STEP de Glarnerland a mis en service les premiers hydrocyclones dès 2015 (pilote), certaines autres installations se trouvent encore à un stade initial du pilotage. Au printemps 2025, la STEP de Werdhölzli n’avait pas encore mis en œuvre d’hydrocyclones, mais avait déjà mis en place des conditions opératoires visant à favoriser la densification des agrégats.
Le degré de densification des boues a été évalué à l’aide d’observations stéréomicroscopiques et en quantifiant la fraction de solides de taille supérieure à 200 µm (mesures de MES). Les observations visuelles ont mis en évidence la présence de granules ronds et denses sur toutes les STEP étudiées (fig. 1). Dans certaines installations (Neugut, Höfe), les granules présentaient des surfaces lisses, tandis qu’une structure de surface plus hétérogène a été observée dans d’autres (Morgental). Des structures filamenteuses ou des agrégats brun foncé ont été observés conjointement aux granules dans plusieurs stations (Neugut, Schönau et Untermarch).
La fraction de solides > 200 µm, définie comme la «fraction de granules», variait fortement d’une STEP à l’autre (fig. 2). Des fractions élevées (> 50%) ont été mesurées aux STEP de Blindei, Gossau, Morgental et Untermarch, cette dernière présentant la valeur la plus élevée (60 ± 8%). À l’inverse, les STEP de Schönau, Neugut, Laufäcker et Höfe présentaient des fractions de granules faibles mais néanmoins non négligeables (< 20%).
L’impact de la densification sur la décantation a été évalué via le suivi de l’indice de volume de boue à 30 minutes (IVB30) et de la vitesse de sédimentation entravée (fig. 3). Un résultat clé est que les propriétés de décantation des boues densifiées sont fonction de la fraction de granules des boues. Plus cette fraction est élevée, meilleure est la décantabilité (IVB30 plus faibles et vitesses de sédimentation entravées plus élevées).
Des valeurs d’IVB30 faibles, de 40 à 70 ml/gMES, ont été mesurées pour des fractions de granules supérieures à 40%. De même, la vitesse de sédimentation entravée augmentait proportionnellement à la fraction de granules, d’environ 2 à 4 m/h à 20% de granules jusqu’à 6 m/h pour des fractions plus élevées. Ces résultats démontrent qu’une fraction de granules supérieure à 40% est nécessaire pour atteindre des propriétés de décantation optimales des boues. L’exploitation de systèmes à boues densifiées en dessous de ce seuil ne permet pas de valoriser pleinement le potentiel de la technologie.
Les valeurs d’IVB30 des boues densifiées ont été comparées à celles des boues activées conventionnelles de chaque STEP (après/avant hydrocyclone; fig. 4 gauche). Les lignes pleines et pointillées indiquent respectivement l’absence d’amélioration et des réductions de 25% et 50% de l’IVB30. Seules les données de 2024 ou antérieures ont été considérées.
En moyenne, l’IVB30 a été réduit d’environ 20%. Les réductions les plus marquées ont été observées à la STEP de Glarnerland (–45 %) et à la STEP de Neugut (–32%), qui présentaient les valeurs d’IVB30 initiales les plus élevées. À la STEP de Morgental, l’IVB30 mesuré en boues densifiées était supérieur à celui des boues activées, les données «avant/après» provenant d’années différentes. La STEP de Blindei ne montre pas non plus d’amélioration de son IVB30, en raison de l’excellente décantabilité initiale de ses boues (IVB30 ≈ 50 ml/gMES).
Cependant, la capacité de clarification d’un décanteur secondaire est déterminée par les conditions de décantation les plus défavorables, car le système doit supporter les pics hydrauliques et les charges en solides élevées durant les périodes les plus critiques de l’année. Il est donc essentiel d’évaluer les gains de décantation apportés par les boues densifiées durant les périodes de l’année les plus défavorables, comme à la STEP de Neugut (fig. 4 droite). À Neugut, Laufäcker et Glarnerland, des réductions hivernales de l’IVB30 d’environ 70%, 45% et 55%, respectivement, ont été observées.
Une question centrale est d’identifier les facteurs expliquant les différences marquées de densification observées entre les différentes STEP.
La densification repose sur l’exposition des boues à des phases successives d’abondance et de famine (régime feast/famine). Durant la phase d’abondance, l’objectif est de maximiser l’assimilation du substrat (DCO, demande chimique en oxygène) au détriment de la croissance bactérienne, ce qui est optimisé lorsque les eaux usées sont introduites par écoulement piston en conditions anaérobies (sans oxygène et sans nitrates). Dans ces conditions, les bactéries sont exposées à des concentrations élevées de DCO qu’elles accumulent sous forme de polymères intracellulaires, sans possibilité de croissance. Lors de la phase de famine (aérobie), ces microorganismes croissent à partir des composés stockés et sont ainsi sélectionnés. La sélection de microorganismes accumulateurs de polyphosphate (Polyphosphate-Accumulating Organisms, PAO) ou glycogène (Glycogen-Accumulating Organisms, GAO) est donc souvent présentée comme une condition nécessaire à la densification. Des analyses microbiennes menées en mai 2025 ont évalué le lien entre densification et abondance en PAO et GAO (fig. 5).
Dans la majorité des STEP, un enrichissement en PAO ou GAO n’a pas été observé, comme indiqué par des abondances relatives cumulées < 10%. Les PAO et GAO étaient notamment absents des boues des STEP de Blindei, Untermarch et Morgental, présentant pourtant les fractions de granules les plus élevées (> 49%). À l’inverse, les abondances les plus élevées ont été observées à Neugut, où la densification est restée limitée (13%). L’ensemble de ces résultats suggère que des conditions strictement anaérobies et la sélection ciblée de microorganismes accumulateurs n’ont pas été établies dans la plupart des installations étudiées. Ces résultats sont cohérents avec le suivi des concentrations en nitrates au sein des sélecteurs indiquant que des conditions anaérobies strictes ne sont atteintes que de manière transitoire au cours de l’année, notamment en été [2, 3].
Ces observations indiquent que, bien que la présence de PAO et de GAO puisse faciliter la formation de granules, leur sélection n’est pas impérative à la densification. Les bactéries hétérotrophes aérobies ou dénitrifiantes peuvent aussi soutenir la formation de granules. Dans une étude menée aux États-Unis [4], une densification importante a été observée avec des sélecteurs aérobies (44%), pour autant que la DCO puisse diffuser efficacement au sein des agrégats, ce qui est favorisé lorsque les eaux usées sont chargées en DCO soluble et sont peu diluées dans le volume du sélecteur.
Les fractions de DCO des eaux usées en sortie de décantation primaire ont été caractérisées afin de distinguer la DCO non diffusible (particulaire > 1,5 µm et colloïdale 0,45–1,5 µm) de la DCO diffusible (DCO véritablement soluble, filtrée à 0,45 µm après floculation). Toutes les STEP présentaient une composition en DCO très similaire (tab. 1), avec une DCO totale de 305 ± 45 mgDCO/l, majoritairement constituée de DCO particulaire (141 ± 20 mgDCO/l), suivie de la DCO véritablement soluble (91 ± 17 mgDCO/l) et de la DCO colloïdale (72 ± 17 mgDCO/l). Les acides gras volatils (AGV), favorables à la densification, étaient présents à de très faibles concentrations (0 à 32 mgDCO/l). Globalement, la composition des eaux usées combinée à des charges massiques très faibles dans les sélecteurs (0,16 à 0,60 gDCOfiltrée,soluble /(gMVS ⋅ j); MVS: matière volatile en suspension) était très défavorables à la densification.
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| DCOtotale | DCOparticulaire (>1,5µm) | DCOcolloïdale (0,45–1,5µm) | DCOfiltrée,soluble (floculée et filtrée à 0,45µm) | Acides Gras Volatils | |
| mgDCO/l | mgDCO/l | mgDCO/l | mgDCO/l | mgDCO/L | |
| Blindei | 236 | 116 | 56 | 64 | 1 |
| Glarnerland | 335 | 172 | 73 | 90 | 2 |
| Höfe | 248 | 112 | 60 | 76 | 0 |
| Laufäcker | 282 | 152 | 53 | 77 | 2 |
| Morgental | 323 | 144 | 70 | 109 | 10 |
| Neugut | 332 | 143 | 79 | 110 | 32 |
| Schönau | 307 | 141 | 74 | 92 | 9 |
| Untermarch | 382 | 154 | 110 | 118 | 14 |
| Werdhölzli | 297 | 134 | 76 | 87 | 16 |
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Nos résultats apportent des premiers éléments de compréhension sur les facteurs ayant pu favoriser ou limiter la densification des différentes STEP étudiées. Le lecteur peut toutefois avoir l’impression que les conditions d’exploitation nécessaires à une densification robuste dans les systèmes à flux continu n’ont pas été clairement identifiées. En réalité, les conditions nécessaires à la densification en systèmes continus sont bien connues, pour autant que les principes clés établis dans les SBR (sequencing batch reactors) soient partiellement transposés.
En SBR, l’injection des eaux usées au fond du réacteur, directement dans le lit de boues décantées, conduit à des cinétiques de densification rapides (fig. 6). Dans un SBR de laboratoire, la fraction de granules a dépassé 60% en deux mois, alors qu’elle n’atteignait que 13% après plus d’un an de pilotage à la STEP de Neugut.
Certaines STEP de notre étude sont exploitées dans des conditions s’apparentant partiellement à celles d’un SBR alimenté par le fond (tab. 2). À Morgental, Untermarch et à Glarnerland, la sous-verse de l’hydrocyclone est mélangée aux eaux usées fraîches en amont du sélecteur, conférant ainsi un avantage compétitif aux granules. À Blindei, Höfe et Werdhölzli, le mélange des eaux usées et des boues en amont du sélecteur limite la dilution et favorise la diffusion de la DCO (fig. 7). Des fractions de granules notables ont ainsi été observées sur les lignes de référence de Blindei (21%) et de Werdhölzli (15%), malgré l’absence d’hydrocyclones; à Blindei, l’installation d’un hydrocyclone a porté cette fraction à 50%. À Gossau, un rapport longueur/largeur élevé du sélecteur favorise également des conditions proches de l’écoulement piston, tandis que Neugut et Schönau, dépourvues de ces configurations, n’ont montré qu’une densification limitée.
|  | Pré-mélange eau usée - RAS en amont du sélecteur biologique | Pré-mélange eau usée –sous-verse hydrocyclone | Injection de l’eau usée vers le fond du sélecteur biologique | Mélange eau usée – retour des boues au même point d’injection dans le sélecteur | Écoulement piston le long du sélecteur |
| Blindei | Oui | Non | Oui | Oui | Non |
| Glarnerland | Non | Oui | Non | Non | Non |
| Gossau | Non | Non | Non | Non | Oui |
| Höfe | Oui | Non | Oui | Oui | Non |
| Laufäcker | Non | Non | Oui | Non | Non |
| Morgental | Non | Oui | Non | Oui | Non |
| Neugut | Non | Non | Non | Non | Non |
| Schönau | Non | Non | Non | Non | Non |
| Untermarch | Non | Oui | Non | Non | Non |
| Werdhölzli | Oui | S.O. | Oui | Oui | Non |
De nombreux autres bénéfices associés aux boues densifiées nécessitent encore des investigations approfondies.
Afin d’atteindre une densification robuste, nous préconisons la mise en place d’études pilotes visant à évaluer la transposition des principes clés des systèmes séquentiels (SBR) vers les systèmes à flux continu (CF), notamment: (i) le pré-mélange des eaux usées avec le retour de boues ou des granules, (ii) l’injection de ce mélange au fond du sélecteur, et (iii) sa combinaison avec une agitation intermittente.
La sélection des bactéries nitrifiantes (Ammonia-and Nitrite-Oxidizing Bacteria, AOB et NOB) constitue un autre aspect à évaluer. Nos premières mesures montrent des abondances relatives d’AOB et de NOB nettement plus élevées dans les systèmes à boues densifiées (3,7 ± 1,2% et 8,9 ± 4,3%, respectivement) par rapport aux valeurs mesurées dans les boues activées conventionnelles sur des STEP suisses (0,5% et 1,3%) [5]. Les granules de petite taille présents dans les DAS pourraient offrir un habitat plus favorable et plus stable pour les bactéries nitrifiantes, en limitant les transitions saisonnières entre Nitrospira et Nitrotoga spp. (deux espèces de bactéries responsables de l’oxydation des nitrites en nitrates) et en réduisant le risque de défaillance partielle de la nitrification.
Une abondance plus élevée et plus stable de bactéries nitrifiantes pourrait également renforcer la nitrification hivernale, en limitant l’accumulation saisonnière de nitrites – un bénéfice déjà observé à la STEP de Blindei, mais qui reste à confirmer. Une telle robustesse de la nitratation est particulièrement pertinente pour la réduction des émissions de protoxyde d’azote (N2O), étroitement liées à l’accumulation de nitrites et représentant environ deux tiers des émissions opérationnelles de CO2-éq des STEP suisses. Par ailleurs, une capacité de nitrification accrue augmente la flexibilité opérationnelle, par exemple en permettant d’ajuster les rapports volumes aérobie/anoxique ou d’optimiser les stratégies d’aération intermittente. Ces leviers pourraient améliorer l’élimination de l’azote total (NT), conformément aux futures exigences réglementaires, tout en contribuant à la réduction des émissions de N2O.
Peu de STEP ont exploité leur système DAS à des concentrations en MES significativement plus élevées que celles des systèmes conventionnels à boues activées, l’objectif principal étant souvent de garantir une décantabilité robuste des boues, et les capacités de traitement existantes étant jugées suffisantes. Toutefois, l’exploitation des DAS à MES élevées est indispensable pour libérer pleinement le potentiel de la technologie. Nous recommandons donc la mise en œuvre d’études pilotes dédiées sur des installations où une exploitation à MES plus élevées est envisageable, afin de quantifier les bénéfices réels du DAS en conditions de charge intensifiée et de générer des retours d’expérience opérationnels qui font encore défaut à ce jour.
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[1] VSA (2023): Kosten und Leistungen der Abwasserentsorgung
[2] Shilyaeva, E. et al. (2026): Boues densifiées: retour d’expérience à la STEP de Neugut. Aqua & Gas 2/2026: xx-yy
[3] Fumasoli, A et al. (2024): InDense®-Verfahren für granulierten Schlamm – Erfahrungen und Erkenntnisse aus einem einjährigen Pilotversuch auf der ARA Gossau-Grüningen. Aqua & Gas 1/2024: 32–39
[4] Wei, S. P. et al. (2020): Flocs in disguise? High granule abundance found in continuous-flow activated sludge treatment plants. Water Res 179. DOI:
[5] Dueholm, M. K. D. et al. (2022): MiDAS 4: A global catalogue of full-length 16S rRNA gene sequences and taxonomy for studies of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nat Commun 13(1): 1908
Nous remercions chaleureusement l’ensemble du personnel des STEP de Neugut, Laufäcker, Schönau, Blindei, Untermarch, Höfe, Glarnerland, Morgental, Gossau et Werdhölzli pour leur soutien à cette étude et l’excellente collaboration. Pour toute information complémentaire sur les méthodes de mesure, n’hésitez pas à contacter l’Eawag (nicolas.derlon@eawag.ch).
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