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La capacité de clarification secondaire limitée ainsi que la prolifération de bactéries filamenteuses fragilisent le bon fonctionnement du décanteur secondaire de la STEP de Neugut (Dübendorf, canton de Zurich), rendant nécessaire un dosage continu de floculants dans la biologie. Au fil des ans, la situation s’est progressivement détériorée malgré l’utilisation de différents polymères et stratégies de dosage, ce qui a accru la sensibilité de la décantation secondaire aux évènements pluvieux.
Afin de remédier à ce problème, une étude pilote a été menée entre juillet 2023 et mars 2025 pour évaluer le potentiel de la densification des boues à Neugut. L’objectif était d’améliorer la décantabilité des boues biologiques tout en maintenant la capacité de traitement actuelle et en supprimant le l’utilisation de floculants. La densification des boues, qui repose sur la formation de granules denses grâce à une sélection biologique et physique combinée, a été identifiée comme une stratégie pertinente pour améliorer la décantabilité, réduire voire stopper le dosage de polymères, et globalement améliorer l’exploitation de la STEP de Neugut.
La STEP de Neugut traite les eaux de 105 000 EH, pour un débit moyen de 200 l/s par temps sec.
La STEP comprend 4 lignes parallèles de traitement biologique, chacune traitant env. 25% de l’effluent d’entrée soit 50 l/s par ligne. Chaque ligne est composée de 5 bassins: un premier bassin non aéré, équipé d’un mélangeur mécanique et défini comme «sélecteur», un deuxième bassin «hybride» équipé d’un mélangeur et d’un système d’aération, suivi de trois bassins aérés consécutifs. Un floculant est ajouté en amont du dernier bassin aéré.
Les 4 lignes fonctionnent de manière entièrement indépendante: les bassins biologiques, les décanteurs secondaires (DS) et les boues en retour (return activated sludge, RAS) sont propres à chaque ligne, empêchant tout mélange des boues entre les lignes. Le débit des boues de retours est de 100 l/s par ligne, soit environ 200% du débit d’eau usée. Ce taux de RAS élevé entraîne un retour important de nitrates (NO3–) en tête de station, permettant d’atteindre une élimination de l’azote supérieure à 70%. Il n’existe pas de recirculation interne.
L’exploitation de la décantation secondaire de la STEP de Neugut est délicate. En raison de l’espace disponible limité, les clarificateurs secondaires ont été sous-dimensionnés, ce qui réduit la marge de sécurité hydraulique et augmente la sensibilité aux variations de charge. Par ailleurs, la présence d’industries alimentaires raccordées au réseau d’assainissement détériore la décantation secondaire en favorisant la prolifération des bactéries filamenteuses, conduisant à des IVB30 (Indice de Volume des Boues mesuré après 30 min de sédimentation) supérieurs à 200 ml/g, témoignant d’une décantation médiocre. Pour éviter des problèmes opérationnels, des polymères sont dosés en continu dans la biologie (env. 20–25 IBC/an; IBC: Intermediate Bulk Container). Cependant, cette mesure n’améliore que partiellement la décantabilité des boues tout en augmentant les coûts opérationnels. De plus, il n’est pas souhaitable de devoir ajouter des produits chimiques dans les eaux pour contrôler la séparation biomasse – eau traitée.
Une des 4 lignes (ligne pilote) a été équipée d’hydrocyclones placés sur la ligne d’extraction des boues en excès. L’hydrocyclone est un séparateur physique qui distingue les flocs, de faible densité et de petit diamètre donc à sédimentation lente, des granules, plus denses et de plus grande taille, caractérisés par une vitesse de sédimentation élevée. L’hydrocyclone permet une extraction sélective des flocs avec mauvaise sédimentation, tandis que les granules lourdes sont réacheminés en tête du traitement biologique. Cette sélection physique continue permet d’enrichir progressivement les boues en biomasse dense, améliorant ainsi la clarification.
L’utilisation d’hydrocyclones ne permet pas, à elle seule, une densification robuste des boues. En effet, cette sélection physique doit idéalement s’accompagner d’une sélection biologique qui favorise la formation d’agrégats denses, ce qui nécessite des modifications des conditions opératoires de la STEP. Deux adaptations majeures ont été mises en place: réduction du débit de retour des boues et passage à une aération intermittente.
La sélection microbienne recherchée vise à sélectionner des bactéries à taux de croissance lent, telles que les PAO (bactéries accumulant des polyphosphates) et les GAO (bactéries accumulant du glycogène). Ces bactéries se développent uniquement sous des régimes anaérobie-aérobie séquentiels (régime feast/famine), conditions propices à la formation d’agrégats denses tels que les granules. Le taux de RAS a ainsi été réduit de 200% à 60% du débit d’effluent d’entrée, ce qui a permis de (i) réduire le retour de nitrates vers le sélecteur et de favoriser l’établissement de conditions anaérobies dans le sélecteur, et de (ii) limiter la dilution des substrats organiques (e. g., demande chimique en oxygène DCO soluble) dans le sélecteur biologique.
Une aération intermittente a été mise en place dans 3 des 4 bassins aérobies afin d’augmenter la dénitrification, de maintenir l’élimination de l’azote et d’éviter un excès d’aération. L’aération a été pilotée en dynamique à l’aide de capteurs d’ammonium en ligne, permettant de contrôler l’apport en oxygène en fonction de la charge instantanée.
Deux lignes supplémentaires ont été exploitées comme lignes de référence:
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Ces lignes ont servi à distinguer les effets dus à la seule réduction du RAS et à l’aération intermittente des effets spécifiques à l’utilisation de l’hydrocyclone.
Dans les 3 lignes (tab. 1), les émissions de protoxyde d’azote (N2O) ont été mesurées afin d’évaluer l’impact potentiel de l’aération intermittente et de la formation de granules sur les émissions de gaz à effet de serre. Des échantillons de boues ont été régulièrement analysés en termes de fractions de taille (< 100 µm, 100-200 µm, 200-500 µm et > 500 µm) afin de suivre la densification. Parallèlement, les paramètres de qualité d’effluent ont été suivis sur chacune des 3 lignes afin de vérifier l’impact des changements d’exploitation sur les performances globales de traitement.
| Ligne | Hydrocyclone | Aération intermittente | RAS (jan. 23 – mars 25) | Mesures N2O |
| Pilote | Oui | Oui | 60% | Oui |
| RĂ©f. int. | Non | Oui | 120% | Oui |
| RĂ©f. const. | Non | Non | 200% | Oui |
L’établissement de conditions anaérobies strictes dans le sélecteur, avec une capacité de diffusion élevée pour les substrats organiques (DCO soluble), est souvent présenté comme une condition essentielle à la sélection microbienne et donc à la densification des boues. Les concentrations en DCO dans l’effluent d’entrée du sélecteur ont donc été analysées tous les deux jours. La réduction du débit RAS dans la ligne pilote a effectivement permis d’augmenter la disponibilité de la DCO à l’entrée du sélecteur, en raison d’une dilution réduite. Cependant, la disponibilité globale en substrat organique est restée faible. La DCO total moyenne de l’effluent était de 238 mg/l après dilution avec le RAS, ce qui correspond à un rapport F/M (food-to-microorganism ratio) dans le sélecteur biologique de seulement 0,5 à 0,8 gDCOsoluble /gMVS/jour (MVS: matière volatile en suspension). Ce rapport F/M est nettement inférieur aux valeurs préconisées dans la littérature pour densifier les boues, env. 1–2 gDCOsoluble /gMVS/jour [1].De plus, des concentrations d’oxygène dissous allant parfois jusqu’à 4 mg/l en entrée de la biologie ont été mesurées (en raison de l’aération du dessableur), compromettant l’établissement de conditions anaérobies dans le sélecteur. À la sortie du sélecteur, la DCO soluble et les nitrates ont été surveillés à l’aide d’analyses ponctuelles d’échantillons et d’un capteur en ligne. Les concentrations en DCO soluble ont diminué sur toute la longueur du sélecteur, démontrant l’utilisation des substrats organiques. En revanche, les concentrations de nitrates étaient fréquemment supérieures à la limite de détection, indiquant que des conditions strictement anaérobies ne sont établies que de manière transitoire dans le sélecteur, ce qui peut donner l’avantage aux hétérotrophes ordinaires et limiter la croissance des PAO et GAO [2]. Un reflux de nitrates et d’oxygène provenant des zones aérées adjacentes a été observé lorsque l’aération dans les premiers bassins aérobies redémarrait en fin de phase de non-aération. En conséquence, les conditions anaérobies ont été régulièrement entravées.
La formation de granules a été évaluée par stéréo-microscopie (fig. 1) et par tamisage des différentes fractions de taille de d’agrégats: < 100 µm, 100–200 µm, 200-500 µm et > 500 µm (fig. 2). Les observations par microscopie de la fraction de boues 200–500 µm de la ligne pilote a révélé la présence de granules compacts et sphériques ayant une surface lisse. Aucun granule n’a été observé dans les deux lignes de référence. Les images non tamisées des boues de la ligne pilote ont également indiqué la présence d’agrégats plus denses et plus arrondis que dans les deux lignes «Réf. int.» et «Réf. const.». En particulier, la fraction de boues 100-200 µm de la ligne pilote présentait un grand nombre de proto-granules, alors que les lignes de contrôle présentaient, dans la même gamme de taille, des flocs à la structure hétérogène (fig. 1).
La fraction de granules > 200 µm a augmenté lentement mais régulièrement dans la ligne pilote, atteignant 13% en mai 2025 (en termes de MES), tandis que cette fraction est restée négligeable dans les deux lignes de référence (~ 2,5% sur la base des MES). La fraction 100-200 µm représentait 22% des boues de la ligne pilote (fig. 2), et était principalement composée de proto-granules (fig. 1). Dans la ligne «Réf. int.», une fraction de taille similaire (20%) a été observée, mais était principalement constituée de flocs de grande taille. Dans la ligne «Réf. const.», cette fraction était beaucoup plus faible (9%) et comportait exclusivement des flocs, comme dans la ligne «Réf. int.».
Bien que la proportion de granules soit restée inférieure à celles mesurées dans d’autres systèmes de boues densifiées en Suisse (par exemple, jusqu’à 45% à Gossau [3, 6]), nos résultats démontrent que la formation de granules demeure possible dans des conditions opérationnelles défavorables.
Les propriétés de décantation des boues ont été suivies via des mesures d’IVB30 réalisées deux à trois fois par semaine. Une amélioration significative de la décantabilité des boues a été observée dans la ligne pilote, et ce malgré la densification relativement limitée des boues. Les données historiques indiquent en effet une augmentation progressive de l’IVB30 de 150 à > 200 ml/g entre 2017 et 2023, et ce malgré l’ajout continu de floculants (fig. 3). Durant la période du projet (juillet 2023–mars 2025), l’IVB30 de la ligne pilote a fluctué en réponse aux variations de MES, aux événements pluvieux et aux ajustements opérationnels, mais s’est finalement stabilisé à des valeurs inférieures à 100 ml/g pour une concentration de biomasse d’environ 2,5 g/l. La moyenne annuelle de l’IVB30 des boues de la ligne pilote était d’environ 130 ml/g pour l’année 2025, contre plus de 200 ml/g dans la ligne de référence aérée en continu. Dans l’ensemble, une réduction moyenne de 37% a été obtenue sur l’année 2025 en cours, alors que l’ajout de floculants a pu être entièrement arrêté sur la ligne pilote. Dans les 2 lignes de références, l’IVB30 est resté autour de 200 ml/g en 2024 et 2025 malgré l’ajout continu de floculants dans la biologie. Il est à noter que les données 2025 ne couvrent que la période janvier–août et qu’une dégradation de l’IVB30 des lignes de référence est attendue durant l’automne, ce qui accentuerait encore la réduction observée sur la ligne pilote
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L’élimination de l’azote total Ntot a été évaluée via l’analyse d’échantillons moyens 24 h prélevés en entrée et sortie de chaque ligne de traitement biologique. Une élimination moyenne de Ntot de 70–75% a été observée sur l’ensemble des lignes (fig. 4). Les 2 lignes à aération intermittente ont fonctionné avec un contrôle de l’aération identique (aération activée pour N-NH4+ > 5 mg/l et désactivée pour N-NH4+ < 2 mg/L, mesure en ligne dans le 3ème bassin).
L’élimination de l’azote dans la ligne pilote était similaire à celle mesurée dans la ligne «Réf. const.». Dans la ligne «Réf. int.», une meilleure élimination a été observée, indiquant qu’un RAS élevé (120%), combiné à une aération intermittente, favorise la dénitrification et améliore l’élimination de l’azote. L’élimination similaire des lignes pilote et «Réf. const.» permet de conclure que la réduction de la dénitrification liée à la diminution du retour des nitrates (conséquence de la réduction du RAS) est totalement compensée par l’augmentation de la dénitrification dans les zones exploitées en aération intermittente. Il convient toutefois de noter que l’optimisation des valeurs de consignes utilisées pour la régulation de l’aération a un rôle déterminant sur l’élimination de l’azote, et que cet aspect n’a pas été couvert dans le cadre de notre étude.
Les concentrations de N2O dans les gaz de la biologie ont été surveillées pendant un an et demi avec un système Noτos développé par l’Eawag [4], équipé de 12 hottes installées sur les trois lignes de traitement. Les concentrations maximales étaient de 335 ppm dans la ligne pilote, 245 ppm dans la ligne «Réf. int.» et 200 ppm dans la ligne «Réf. const.» Dans la ligne pilote, les concentrations de N2O étaient généralement plus élevées pendant les phases d’aération, avec une augmentation progressive au cours des 1 à 2 premières heures d’aération.
Les charges quotidiennes de N2O ont été estimées en multipliant la concentration de N2O dans les effluents gazeux par le débit d’air du bassin aéré correspondant, et en sommant ces valeurs pour chaque ligne. Le débit d’air de chaque bassin a été soit mesuré directement à l’aide d’un capteur LumA [5], soit estimé à l’aide d’un modèle de régression multi-variables. Les facteurs d’émission (EF) ont ensuite été calculés par rapport à la charge entrante en azote total (fig. 5). Compte tenu de la faible densification et de la faible concentration en MES de la ligne pilote, les émissions de N2O mesurées reflètent principalement l’influence des conditions d’exploitation, à savoir la réduction du RAS et l’aération intermittente. Aucun effet négatif clair de ces conditions d’exploitation n’a été observé sur les émissions globales de N2O. Les concentrations plus élevées en N2O dans les gaz de la ligne pilote sont compensées par une réduction du stripping liée à l’aération intermittente, de sorte que les facteurs d’émission globaux restent comparables à ceux des lignes de référence. La valeur médiane de l’EF de la ligne pilote (0,65%) était ainsi comparable à celle de la ligne «Réf. const.» (0,57%). Ces résultats suggèrent que, bien que l’aération intermittente et la réduction du RAS puissent accroître la variabilité à court terme des émissions de N2O (notamment l’intensité des pics), les facteurs d’émission globaux sont restés faibles dans l’ensemble des lignes.
Il sera néanmoins important de confirmer ces résultats lors de futures campagnes de mesures des émissions de N2O sur des systèmes à boues fortement densifiées. Il sera également important de caractériser des systèmes fonctionnant à des concentrations élevées en MES, qui peuvent offrir une flexibilité opérationnelle accrue, permettant d’améliorer la nitrification et l’élimination totale de l’azote, et par conséquent de réduire davantage les émissions de N2O.
La consommation énergétique moyenne des différentes lignes de traitement biologique a été évaluée. Celle-ci comprend l’énergie nécessaire à l’aération et au pompage (pompage des boues entre le 3ème et 4ème bassin aéré, et pompage du retour des boues).
La ligne pilote consomme le moins d’énergie, suivie de la ligne «Réf. int.», puis de la ligne «Réf. const.». Dans l’ensemble, la consommation énergétique a été réduite de 23% dans la ligne pilote par rapport à la ligne «Réf. const.». La demande en aération était globalement similaire dans toutes les lignes, mais l’énergie de pompage a considérablement diminué dans la ligne pilote en raison de la réduction du RAS. L’absence d’économie d’énergie supplémentaire liée à l’aération intermittente est attribuée aux pics d’énergie élevés observés au redémarrage de l’aération. Il est probable qu’un réglage plus optimal des paramètres d’exploitation permettrait de réaliser des économies d’énergie supplémentaires.
Après le début marqué de la densification observée en septembre 2024 et la réduction de l’IVB30, une réduction progressive du dosage de floculant dans la ligne pilote a été entreprise jusqu’à son arrêt complet, tandis que le dosage est resté constant dans les lignes de référence. Il est important de souligner que l’arrêt complet du dosage de polymères n’a pas nui à la décantation des boues dans la ligne pilote, confirmant que l’amélioration de la décantabilité a été maintenue grâce à la densification biologique seule, et ce malgré la fraction limitée de granules > 200 µm. L’arrêt du dosage de floculant offre des avantages à la fois écologiques et économiques. Si cette mesure était étendue aux 4 lignes de traitement de la STEP de Neugut, cela permettrait d’économiser 20 à 25 m3 de produits chimiques introduits dans l’eau chaque année. Ces résultats soulignent que la densification des boues est une alternative durable à la floculation chimique.
Notre étude démontre que la densification des boues peut être mise en œuvre à grande échelle dans le traitement des eaux usées grâce à des stratégies combinées de sélection physique (hydrocyclone) et microbienne. Malgré plusieurs défis opérationnels, notamment au sein du sélecteur biologique, la ligne pilote de la STEP de Neugut a montré une amélioration nette de la décantabilité des boues, ainsi qu’une réduction significative de sa consommation d’énergie et de produits chimiques.
Une densification partielle des boues a été obtenue, avec 13% dans la fraction > 200 µm et plus de 20% de proto-granules dans la fraction 100–200 µm, en raison de conditions défavorables dans le sélecteur biologique (conditions partiellement anoxiques au lieu d’anaérobies strictes, disponibilité limitée de substrat organique, etc.). Cependant, cette densification partielle a considérablement amélioré les propriétés de décantation, avec un IVB30 réduit de 37% sur l’année 2025 en cours.
L’élimination totale de l’azote a été maintenue dans la ligne pilote à un niveau similaire à celui de la ligne de contrôle à aération continue (> 70%), malgré la réduction du retour de nitrate associée à un plus faible débit RAS compensée par l’aération intermittente. Les facteurs d’émission de N2O normalisés par rapport à l’apport d’azote sont restés comparables à ceux mesurés dans la ligne à aération constante et surtout très faible (valeur médiane: 0,65% dans la ligne pilote)
Une réduction de 23% de la consommation en énergie du traitement biologique a été obtenue, principalement grâce à la baisse du pompage vers l’étage supérieur due à la réduction du débit de RAS. L’amélioration de la décantabilité a également permis l’arrêt complet du dosage de floculants, sans effet négatif sur le IVB30. Au total, il est estimé que la densification des boues pourrait représenter une économie annuelle d’environ 180'000 francs.
D’autres améliorations visant à renforcer la densification sont envisagées:
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Ces mesures devraient favoriser une densification plus robuste, offrant ainsi une flexibilité opérationnelle accrue (e. g., plus de volume anoxique) et améliorant les performances de traitement.
À la STEP de Neugut, les prochaines étapes comprennent l’installation d’hydrocyclones et l’extension de la réduction du RAS avec une aération intermittente sur les quatre lignes, la mise à niveau vers des agitateurs de plus grande capacité et l’acheminement du RAS en contact direct avec l’effluent d’entrée.
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[1] Regmi, P. (2024): Advancement in continuous-flow densified sludge system design and operation (Project DRPT-5130). The Water Research Foundation.Â
[2] Layer, M. et al. (2019): Organic substrate diffusibility governs microbial community composition, nutrient removal performance and kinetics of granulation of aerobic granular sludge. Water Research X 4: 100036.
[3] Rérolle, M. (2023): Retrofitting conventional activated sludge WWTPs with hydrocyclones to extend their lifetime by densifying sludge. Master thesis, EPFL & Eawag; collaboration with Hunziker Betatech and Gossau + Laufäcker WWTPs
[4] Gruber, W.; Joss, A. (2021): Off-gas monitoring system for wastewater treatment (Version 1.0) [Data set]. Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology.
[5] Biolley, L.; Braun, D.; von Känel, L. (2025): Gerätebeschreibung: Technische Beschreibung der Luftmengenmessung für Abluftmonitoring auf ARA (LumA). ETH Zürich, Report.
[6] Erni Cassola, G. et al. (2026): Schlammgranulierung auf Schweizer Kläranlagen. Aqua & Gas 2/26: 52-58
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Nous adressons nos sincères remerciements à l’ensemble du personnel de la STEP de Neugut, dont l’engagement et le professionnalisme ont été essentiels à la réussite de ce projet.
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