Ce qu'est un réacteur CASS et les raisons de cette conception
Un réacteur CASS (Cyclic Activated Sludge System) est un procédé séquentiel à volume variable, divisé par des cloisons en une zone de sélecteur (≈ 5 % du volume), une zone d'aération secondaire (≈ 10 %) et une zone d'aération principale (≈ 85 %), avec recirculation continue des boues de la zone principale vers le sélecteur. Chaque cycle enchaîne remplissage-aération, remplissage-décantation, soutirage et repos : la réaction biologique, la séparation des solides et l'extraction de l'effluent se déroulent dans un seul bassin. La géométrie du sélecteur distingue le CASS d'un SBR générique et constitue le point de commande clé de la nitrification, de la dénitrification, de la déphosphatation biologique et de la lutte contre le foisonnement filamenteux (selon la référence DEU CASS, web.deu.edu.tr/atiksu/ana58/cass.html).
Le concept SBR était déjà bien établi à la fin des années 1970, avec la plupart des installations classées en petite ou moyenne capacité. Une modification apportée en 1978 — l'ajout d'une zone de pré-réaction (sélecteur) pour maîtriser le foisonnement filamenteux — a ouvert la voie à la configuration CASS moderne. Le CASS a depuis été mis en œuvre à des débits allant jusqu'à 50 MGD (≈ 400 000 équivalent-habitants), dépassant le plafond historique des SBR et étendant la technologie aux grandes installations municipales et aux rénovations (selon S1, référence DEU CASS).
L'intention de conception est claire : un bassin unique assure la réaction biologique, la séparation solide-liquide et l'extraction de l'effluent, tandis que l'alternance des conditions aérobies, anoxiques et anaérobies permet simultanément l'abattement de la DBO, la nitrification-dénitrification et la déphosphatation biologique. Pour l'ingénieur qui rédige une légende de P&ID ou la note de base de conception, la définition en 40 secondes ci-dessus est la version à citer.
Données d'entrée et de sortie que le concepteur doit d'abord rassembler
Avant tout calcul de dimensionnement, le concepteur doit verrouiller l'enveloppe d'entrée ; chaque paramètre aval — F/M, âge des boues, volume du bassin, débit du décanteur — est fixé par les chiffres de cette liste. Les données minimales sont : débit moyen par temps sec (ADWF), débit de pointe par temps de pluie (PWWF), facteur de pointe (PWWF/ADWF), DBO₅, DCO, MES, MVS, NTK, NH3-N, phosphore total, alcalinité, température d'entrée (minimum hivernal et maximum estival), et les valeurs cibles de DBO, MES, NH3-N, NT et PT en sortie. Pour les projets industriels, ajouter le pH, la salinité et tout composé inhibiteur (phénols, cyanures, solvants) qui ralentit les vitesses de nitrification.
Le cas d'une brasserie UASB-CASS constitue une référence industrielle utile (selon S3, IEEE doi:10.1109/CDCIEM.2011.521) : DCO d'entrée 2 500 mg/L, DBO₅ 1 100 mg/L, SS 300 mg/L. Points de surveillance propres à l'industriel : fortes amplitudes thermiques qui font varier la cinétique de nitrification, rapport C/N:P faible qui limite la déphosphatation biologique, et composés inhibiteurs qui imposent un bassin tampon en traitement latéral amont du bassin CASS.
Enveloppe de sortie par défaut pour le couplage oxydation carbonée + nitrification : DBO ≤ 20 mg/L, MES ≤ 30 mg/L, NH3-N ≤ 5 mg/L. À considérer comme point de départ ; les autorisations de rejet locales peuvent être plus ou moins sévères.
| Paramètre | Symbole / Unité | Valeur de conception à confirmer | Source / note |
|---|---|---|---|
| Débit moyen par temps sec | Qavg, m³/j | Spécifique au site | Campagne de mesure d'entrée |
| Débit de pointe par temps de pluie | Qpeak, m³/j | 2 à 3× Qavg en général | Données terrain HydropureWater, 2026 |
| DBO₅ d'entrée | mg/L | 200–350 en municipal ; jusqu'à 1 100 en industriel | 1 100 mg/L cas brasserie (S3) |
| DCO d'entrée | mg/L | ≈ 2,0–2,5× DBO sur effluent décanté | 2 500 mg/L cas brasserie (S3) |
| NTK / NH3-N d'entrée | mg/L | 40 / 25 typique en municipal | Spécifique au site |
| PT d'entrée | mg/L | 5–10 en municipal | Spécifique au site |
| Température min / max | °C | enveloppe typique 10 / 25 | Conditionne âge des boues et F/M |
| DBO / MES / NH3-N de sortie | mg/L | enveloppe de conception ≤ 20 / ≤ 30 / ≤ 5 | À confirmer vs autorisation de rejet |
Géométrie des trois zones : convertir le partage 5 / 10 / 85 en volumes réels
Pour des eaux usées domestiques typiques, le bassin CASS est réparti en sélecteur 5 % / aération secondaire 10 % / aération principale 85 % (selon S1, référence DEU CASS). Le partage n'est pas arbitraire : le sélecteur doit être suffisamment petit pour maintenir une F/M locale élevée (typiquement 3–5 kg DBO/kg MLSS·j) qui floc-charge le substrat soluble et réprime la croissance filamenteuse, et la zone d'aération principale doit être assez vaste pour absorber la variation diurne de charge et assurer la transition écoulement piston–mélange complet pour l'oxydation de la DBO et la nitrification.
Logique de dimensionnement : le volume total du bassin est fixé par le TSH de l'aération principale, typiquement 6 à 10 heures au débit moyen. Les zones de sélecteur et d'aération secondaire sont ensuite dimensionnées à 5 % et 10 % du volume d'aération principale pour préserver les conditions initiales de réaction en écoulement piston. Exemple appliqué pour Q = 5 000 m³/j à TSH = 8 h : volume d'aération principale = 5 000 × 8/24 = 1 667 m³, sélecteur ≈ 83 m³, aération secondaire ≈ 167 m³, bassin total ≈ 1 917 m³ par bassin.
Nombre de bassins : au minimum deux pour un afflux continu, puisque chaque bassin doit recevoir du débit pendant chaque phase du cycle, y compris le remplissage-décantation. La plupart des stations CASS à pleine échelle sont à deux bassins ; une redondance N+1 est mise en place pour le fonctionnement en pointe ou en cycle de débit élevé, comme à la station de Portage-Catawba Island (1,34 MGD en moyenne / 3,8 MGD en pointe, selon S5 Ottawa County). Hauteur d'eau utile de conception : 4 à 6 m typiquement ; les bassins plus profonds réduisent l'emprise au sol mais exigent un brassage d'aération plus puissant et des temps de décantation plus longs, car le lit de boues a une plus grande distance à parcourir.
| Zone | % du volume total | Volume (m³) — exemple 5 000 m³/j | Fonction |
|---|---|---|---|
| Sélecteur (zone 1) | 5 % | ≈ 83 | Floc-charge la DBO soluble ; réprime les filaments |
| Aération secondaire (zone 2) | 10 % | ≈ 167 | Tampon entre sélecteur et bassin principal |
| Aération principale (zone 3) | 85 % | ≈ 1 667 | Oxydation DBO + nitrification en mélange complet |
| Volume total du bassin | 100 % | ≈ 1 917 m³ à TSH 8 h | Plage TSH 6–10 h à Qavg |
Durée des cycles : concevoir remplissage-aération, remplissage-décantation, soutirage et repos
Un cycle CASS est une séquence temporelle de quatre phases — remplissage-aération (air actif, réaction biologique), remplissage-décantation (air coupé, décantation au repos), soutirage (extraction de l'effluent par déversoir mobile) et repos (temps résiduel, brassage ou réaction optionnels) — selon S1 (référence DEU CASS). Un cycle municipal typique de 4 heures se répartit en : 120 min de remplissage-aération, 45 à 60 min de remplissage-décantation, 30 à 45 min de soutirage et 15 à 30 min de repos. Le partage exact se règle sur la F/M et la température d'entrée ; à plus basse température, la phase de remplissage-aération s'allonge pour compenser la cinétique de nitrification plus lente.
Pendant le remplissage-décantation, l'affluent est dirigé vers le second bassin dans une configuration à deux bassins, ou vers un puits de pompage dans une configuration à un seul bassin. Le déversoir du décanteur à seuil mobile se trouve au-dessus du niveau d'eau haut pendant l'aération et la décantation, de sorte qu'aucune matière en suspension de la liqueur mixte ne puisse être entraînée par accident. Le déversoir ne descend prélever le surnageant traité que pendant la phase de soutirage (selon S1).
Calcul du débit du décanteur : débit de décanteur requis = débit horaire de pointe × (durée du cycle / durée du soutirage). Pour l'exemple à 5 000 m³/j avec Qpeak = 2,5 × Qavg = 12 500 m³/j, le débit horaire de pointe ≈ 521 m³/h, et pour un cycle de 4 h avec 45 min de soutirage, le décanteur doit fournir 521 × (240/45) ≈ 2 778 m³/h. L'option cycle de débit élevé en période de pluie raccourcit le cycle et allonge la fenêtre de soutirage pour qu'un bassin unique laisse passer 2 à 3× le débit moyen sans entraînement de solides — mode opératoire à Portage-Catawba Island (1,34 MGD en moyenne / 3,8 MGD en pointe, selon S5).
| Phase | Durée (cycle 4 h) | État de l'air | Acheminement de l'affluent | Commande clé |
|---|---|---|---|---|
| Remplissage-aération | 120 min | Actif | Vers ce bassin | RRC maintient O₂ dissous 1,5–2,5 mg/L |
| Remplissage-décantation | 45–60 min | Coupé | Vers second bassin / puits de pompage | Décantation au repos, formation du lit de boues |
| Soutirage | 30–45 min | Coupé | Vers second bassin / puits de pompage | Seuil mobile à débit constant |
| Repos | 15–30 min | Brassage optionnel | Affluent résiduel | Tampon / extraction des boues en excès |
| Cycle de débit élevé (pointe) | Cycle ramené à 2–3 h | Adapté à la charge | Deux bassins actifs | Débit de pointe jusqu'à 2,8× moyenne (Portage-Catawba, S5) |
MLSS, F/M, âge des boues et intensité d'aération : fixer les cibles opératoires
Les MLSS de conception en zone d'aération principale se situent entre 3 500 et 5 000 mg/L. Pendant la phase de remplissage-décantation, le lit de boues se forme à la concentration du niveau d'eau haut, ≈ 3 500 mg/L, et atteint ≈ 10 000 mg/L en fin de décantation — flux de boues en excès à haute concentration soutiré du fond du bassin (selon S1, référence DEU CASS). Opérer au-dessus d'environ 5 000 mg/L fait peser un risque de limitation du transfert d'oxygène et de mauvaise décantation ; descendre sous 3 000 mg/L prive le sélecteur de boues de recirculation et dégrade l'abattement de la DBO.
F/M cible 0,05–0,15 kg DBO/kg MLSS·j pour le couplage oxydation carbonée et nitrification en CASS — extrémité aération prolongée du spectre des boues activées. Âge des boues cible 10 à 25 jours entre 15 et 25 °C pour la nitrification-dénitrification couplée ; la température de conception hivernale fixe généralement la borne haute, car une liqueur mixte plus froide exige un âge des boues plus long pour maintenir l'inventaire des nitrifiants. Intensité d'aération : prévoir ≈ 1,5–2,0 kg O₂/kg DBO appliquée lorsque la nitrification est requise ; convertir la demande standard en oxygène en air standard (Nm³/h) avec un rendement de transfert typique de 20 à 25 % pour des diffuseurs fines bulles à 4–5 m d'immersion.
La logique CASS Respiration Rate Control (RRC) module les surpresseurs sur la demande réelle en oxygène en utilisant une sonde d'O₂ dissous dans le bassin comme respiromètre : faible charge réduit l'air, forte charge l'augmente, de sorte que l'O₂ dissous reste dans la bande 1,5–2,5 mg/L typique du traitement couplé de l'azote et du phosphore (selon S1). La raison d'éviter la sur-aération est propre au CASS : un report excessif d'O₂ dissous dans le sélecteur inhibe l'assimilation biologique du phosphore et compromet le contact anoxique/anaérobie qui réprime les filaments.
| Paramètre | Valeur de conception | Source / justification |
|---|---|---|
| MLSS, zone d'aération principale | 3 500–5 000 mg/L | S1 — niveau d'eau haut ≈ 3 500 mg/L |
| MLSS, lit de boues décanté | ≈ 10 000 mg/L | S1 — concentration des boues en excès |
| Rapport F/M | 0,05–0,15 kg DBO/kg MLSS·j | Plage SBR aération prolongée, philosophie S1 |
| Âge des boues | 10–25 jours entre 15 et 25 °C | Piloté par la température hivernale pour la nitrification |
| Demande en O₂ | 1,5–2,0 kg O₂/kg DBO appliquée | Avec nitrification |
| Bande de consigne O₂ dissous | 1,5–2,5 mg/L | Consigne RRC, S1 |
Réglage du sélecteur et lutte contre le foisonnement filamenteux
Le sélecteur n'existe que pour une raison : réprimer les bactéries filamenteuses avant qu'elles n'atteignent la zone d'aération principale. Le mécanisme tient au gradient de concentration en substrat. À l'entrée du sélecteur, la F/M locale est élevée — typiquement 3–5 kg DBO/kg MLSS·j — de sorte que les bactéries floc-formantes (capables de stocker le substrat soluble sous forme de polyhydroxyalcanoates intracellulaires) l'emportent sur les filaments (incapables de le faire), et les boues sortent du sélecteur avec de bonnes propriétés de décantation (selon S1, référence DEU CASS). Si la F/M du sélecteur est trop basse, les filaments dominent et l'indice de volume des boues (SVI) dépasse 150 mL/g — signature visible du foisonnement.
Règle pratique pour le TSH du sélecteur : le maintenir court, ≈ 5 à 15 min au débit moyen, afin que le substrat facilement dégradable soit consommé avant que la liqueur mixte n'atteigne la zone d'aération principale. La recirculation interne des boues de l'aération principale vers le sélecteur doit faire cycler la biomasse de la zone principale à travers le sélecteur environ une fois par jour — intention de conception énoncée directement dans la référence DEU (« le taux de retour des boues provoque un cyclage quotidien approximatif de la biomasse de la zone d'aération principale à travers la zone de sélecteur », selon S1).
Si le foisonnement apparaît en exploitation, les premières vérifications sont les suivantes : (1) F/M du sélecteur — confirmer que le débit de recirculation délivre le cyclage quotidien ciblé ; (2) O₂ dissous du sélecteur — confirmer que le sélecteur fonctionne en conditions anoxiques/anaérobies durant les phases non aérées ; (3) rapport F/M à l'échelle du bassin — une F/M inférieure à 0,05 en zone principale favorise les filaments globalement. Une hausse de 20 % du débit de recirculation, ou un basculement temporaire vers un sélecteur entièrement aérobie, constitue la réponse classique de l'exploitant.
CASS industriel : quand l'utiliser et comment les charges modifient la conception
Le CASS est le bon choix quand l'eau usée présente une DBO/DCO élevée, une variabilité thermique modérée et un besoin de traitement biologique de l'azote et du phosphore sur une emprise réduite. Le cas d'une brasserie UASB-CASS illustre l'enveloppe (selon S3, IEEE doi:10.1109/CDCIEM.2011.521) : DCO 2 500 → 75 mg/L (abattement 97 %), DBO₅ 1 100 → 16,5 mg/L (abattement 98,5 %), SS 300 → 9 mg/L (abattement 97 %) en régime permanent, conforme à la norme chinoise de rejet intégré GB8978-96. Le front UASB élimine la forte charge organique par voie anaérobie ; le CASS polit et nitrifie. Pour des effluents purement industriels sans le tampon UASB, le bassin CASS seul doit absorber toute la charge de DBO : le TSH de l'aération principale se déplace alors vers la borne haute de 10 heures et la vérification F/M au démarrage est critique.
Pour des objectifs de sortie très stricts — MES < 10 mg/L, polissage de qualité réutilisation — ajouter un système de bioréacteur à membranes (MBR) pour polissage de qualité réutilisation en aval du bassin CASS ; le MBR est un polissage aval, pas un substitut du CASS, et l'ensemble apporte à la fois le traitement biologique de l'azote et du phosphore et une barrière solide absolue. Lorsqu'il s'agit de rétrofiter un bassin SBR ou CASS existant avec une cassette membranaire, le workflow pertinent de rétrofit MBR d'un bassin SBR ou CASS existant couvre les critères de conversion de cuve, les cibles de flux et les évolutions de la demande d'aération. Pour une comparaison directe avec les boues activées classiques sur un effluent industriel chargé en métaux lourds, la comparaison MBR vs boues activées classiques donne les chiffres CAPEX/emprise/énergie côte à côte. Pour une alternative package ou enterrée à faible débit, voir le guide de conception SBR 2026 pour les paramètres que l'ingénieur intégrera à cette décision. En prétraitement, un dégrilleur mécanique rotatif en tête du CASS protège le sélecteur et le décanteur des chiffons et débris, et un système automatique de dosage de réactifs pour polissage nutritionnel est généralement spécifié pour l'ajout d'alun ou de sel métallique lorsque la déphosphatation biologique seule ne permet pas d'atteindre l'objectif de PT.
Questions fréquentes
Quel est le ratio standard sélecteur / aération principale en CASS ?
Le partage standard des zones CASS pour des eaux usées domestiques typiques est sélecteur 5 % / aération secondaire 10 % / aération principale 85 %, avec recirculation continue des MLSS de la zone principale vers le sélecteur (selon S1, référence DEU CASS).
Combien de bassins un CASS nécessite-t-il ?
Au minimum deux bassins sont requis pour un afflux continu, puisque chaque bassin doit recevoir du débit pendant chaque phase du cycle, y compris le remplissage-décantation. La configuration à deux bassins est la plus courante, avec une redondance N+1 utilisée pour le fonctionnement en pointe comme à la station de Portage-Catawba Island (selon S5).
Quelles MLSS de conception adopter pour un bassin CASS ?
Les MLSS de conception en zone d'aération principale se situent entre 3 500 et 5 000 mg/L. Le lit de boues décanté en fin de phase de remplissage-décantation atteint environ 10 000 mg/L, qui est aussi la concentration typique des boues en excès soutirées du fond du bassin (selon S1).
Le CASS peut-il traiter des eaux usées industrielles ?
Oui. Le CASS traite à la fois des eaux usées municipales et une large gamme d'effluents industriels. Le cas d'une brasserie UASB-CASS a atteint 97 % d'abattement de la DCO, 98,5 % de la DBO₅ et 97 % des SS sur un effluent à 2 500 mg/L de DCO, 1 100 mg/L de DBO₅ et 300 mg/L de SS (selon S3, IEEE doi:10.1109/CDCIEM.2011.521).
Qu'est-ce qu'un cycle de débit élevé dans un CASS ?
Un cycle de débit élevé est un mode opératoire raccourci utilisé en période de pointe par temps de pluie, qui permet à un bassin unique de laisser passer 2 à 3× le débit moyen sans entraînement de solides. La station de Portage-Catawba Island est dimensionnée pour 1,34 MGD en moyenne et 3,8 MGD en pointe, soit environ 2,8× la moyenne, et bascule en cycle de débit élevé lorsque les apports approchent la pointe (selon S5, Ottawa County).
Équipement associé
- système automatique de dosage de réactifs pour polissage nutritionnel — spécifications, plage de capacité et données techniques
