Qu'est-ce que le procédé CASS et en quoi diffère-t-il du SBR conventionnel ?
Un système de boues activées cyclique (CASS) est une variante temporelle du réacteur discontinu séquentiel (SBR) qui ajoute un sélecteur biologique en amont du bassin d'aération principal, en répétant une séquence remplissage-aération-décantation-extraction dans un seul bassin. Plus de 400 stations d'épuration municipales de petite et moyenne capacité du nord de la Chine utilisent cette configuration, principalement parce qu'elle combine flexibilité de configuration, simplicité d'exploitation, faibles coûts de construction et de maintenance, et élimination simultanée de l'azote et du phosphore (Zhang et al., 2021, MDPI Processes Vol. 9 No. 3, p. 527).
Le sélecteur est l'élément qui distingue le CASS d'un SBR conventionnel. À la station en grandeur réelle de Zhangjiakou — capacité domestique de 20 000 m³/jour, province du Hebei — la zone anoxique de pré-dénitrification mesure 4,3 m × 17,6 m × 5,6 m pour un volume utile de 423,8 m³, mélangée par deux agitateurs submersibles placés aux angles opposés (Zhang et al., 2021). La fonction principale du sélecteur est de maîtriser le foisonnement filamenteux : en exposant les boues activées de recirculation à un fort gradient de substrat en conditions anoxiques, les organismes floculants l'emportent sur les filaments pour la DCO facilement biodégradable, ce qui améliore la décantabilité lors de la phase de décantation suivante. C'est ce mécanisme qui rend le tableau de paramètres ci-dessous — en particulier MLSS et SVI — prévisible à l'échelle réelle.
Paramètres de conception du procédé CASS — tableau de référence principal
Paramètres de conception CASS consolidés pour eaux usées municipales de charge domestique : un cycle de 6 h réparti en 90 min de remplissage, 180–240 min de réaction, 30–60 min de décantation et 30–60 min d'extraction, avec un HRT de 20–30 h, un SRT de 15–25 j, un MLSS de 3 000–5 000 mg/L et une OD aérobie de 2,0–3,0 mg/L. Chaque ligne ci-dessous s'appuie soit sur la station en grandeur réelle de Zhangjiakou (20 000 m³/jour, Hebei), soit sur le réacteur de laboratoire exploité à 20 °C avec des eaux usées domestiques synthétiques à faible source de carbone.
| Paramètre | Plage de conception typique | Source d'ancrage |
|---|---|---|
| Durée totale du cycle | 4–6 h (6 h typique) | Zhangjiakou grandeur réelle, 6 h (Zhang et al., 2021) |
| Durée de remplissage | 1,0–1,5 h (90 min typique) | Zhangjiakou, 90 min (Zhang et al., 2021) |
| Durée de réaction (aération) | 3,0–4,0 h | CASS de laboratoire, phase d'aération de 180–240 min (Sun et al., 2015, Bioresour. Technol.) |
| Durée de décantation | 0,5–1,0 h | Pratique de conception CASS |
| Durée d'extraction | 0,5–1,0 h | Pratique de conception CASS |
| HRT | 20–30 h | Dérivé du volume du bassin CASS et de 4–6 cycles/jour |
| SRT (âge des boues) | 15–25 j | Calage ASM1, Zhangjiakou 2018–2019 (Zhang et al., 2021) |
| MLSS | 3 000–5 000 mg/L | Réacteur de laboratoire ~3 000 mg/L (Sun et al., 2015) ; grandeur réelle 3 000–5 000 mg/L (Zhang et al., 2021) |
| OD en phase de réaction aérobie | 2,0–3,0 mg/L | OD moyenne de laboratoire 1,02, 2,60, 2,87, 3,44 mg/L sur quatre régimes d'aération (Sun et al., 2015) |
Note : les unités du tableau sont explicites, car le HRT est exprimé en heures (h) et le SRT en jours (j) — une source fréquente d'erreur de lecture des fiches techniques. Les valeurs ci-dessus s'appliquent aux eaux usées de charge domestique ; les ajustements C/N industriels sont traités plus loin.
Caractérisation de l'influent : DCO, DBO, rapport C/N et dimensionnement de la charge CASS
Six paramètres régissent la conformité au rejet de toute station CASS : MES, DCO, DBO₅, N-total, P-total et métaux lourds (Alumichem, 2024). Le rapport DCO/NTK et la charge en DBO₅ sont les deux valeurs qui pilotent le plus directement le dimensionnement du réacteur, car elles déterminent la demande d'aération, le gradient de substrat du sélecteur et le carbone disponible pour la dénitrification.
Les eaux usées domestiques à faible source de carbone constituent la condition de conception CASS courante, définie par DCO <200 mg/L et DCO/N <4 (Sun et al., 2015). Pour cette enveloppe, le rapport nourriture/micro-organismes (F/M) se situe généralement dans la plage 0,05–0,20 kg DBO/kg MLSS·j. Deux variables dominent les paramètres cinétiques qui calent le calcul F/M : les fractions de DCO de l'influent (S_S, S_I, X_S, X_I) et la température de l'eau (Zhang et al., 2021). Un effluent industriel à forte charge (DCO 500–5 000 mg/L) se situe hors du tableau principal ci-dessus et nécessite presque toujours une égalisation ou une pré-acidification avant le bassin CASS ; la charge sur le sélecteur et le rapport F/M changent tous deux d'un ordre de grandeur, et le cycle doit être allongé pour éviter que la phase d'aération ne devienne limitée en oxygène.
Dimensionnement du sélecteur biologique et de la zone de pré-dénitrification
Le sélecteur pré-anoxique de Zhangjiakou occupe 423,8 m³ du bioréacteur, avec deux agitateurs submersibles aux angles opposés pour maintenir des conditions mélangées (Zhang et al., 2021). Le HRT du sélecteur est typiquement de 1–2 h, avec un taux de recirculation des boues activées (RAS) de 20–50 % alimentant la zone anoxique — dimensionné pour un contact F/M élevé en conditions anoxiques afin que les floculants l'emportent sur les filaments. La simulation CFD du placement des agitateurs est désormais une pratique standard en conception de sélecteur 2026 ; l'équipe de Zhangjiakou a utilisé la CFD pour optimiser la disposition des mélangeurs avant la remise en service.
La géométrie du sélecteur à elle seule ne garantit pas un NT ≤15 mg/L. La station en grandeur réelle n'a pas pu respecter la limite NT de 15 mg/L de la classe 1-A de la norme GB 18918–2002 en hiver tant que la stratégie d'exploitation et les paramètres cinétiques n'avaient pas été recalés (Zhang et al., 2021). Le mécanisme qui confère au CASS sa flexibilité azote est la nitrification-dénitrification simultanée (SND) au sein du floc : un gradient d'oxygène à l'intérieur de chaque floc permet à la couche externe de nitrifier tandis que le cœur interne dénitrifie, et un sélecteur correctement dimensionné amplifie la part de dénitrification. Le coefficient de déclin b_H qui contrôle la dénitrification endogène est dérivé de la respirométrie : b_H = K_d / [1 − Y_H(1 − f_p)] (Zhang et al., 2021), de sorte que tout changement de Y_H ou de f_p recale la capacité de dénitrification du sélecteur.
Contrôle de l'aération, consignes d'OD et répartition de la durée de cycle
Les consignes d'OD d'un réacteur CASS sont spécifiques à chaque phase : maintenir le sélecteur anoxique sous 0,3 mg/L pour conserver la dénitrification active, conduire la phase de réaction aérobie à 2,0–3,0 mg/L, et laisser la décantation et l'extraction descendre sous 0,5 mg/L afin de ne pas perturber le lit de boues. Un réacteur CASS de laboratoire alimenté en eaux usées domestiques synthétiques à faible source de carbone à 20 °C a maintenu une OD aérobie moyenne de 1,02, 2,60, 2,87 et 3,44 mg/L sur quatre conditions d'essai (Sun et al., 2015) ; le compromis pratique 2026 entre atténuation du N₂O et efficacité de dénitrification se situe dans la bande 2,0–3,0 mg/L.
| Phase du cycle | Durée | Consigne d'OD | Fonction |
|---|---|---|---|
| Remplissage (sélecteur pré-anoxique) | 90 min | <0,3 mg/L | Contact substrat du sélecteur, dénitrification |
| Réaction (aérobie) | 180–240 min | 2,0–3,0 mg/L | Oxydation de la DCO, nitrification |
| Décantation | 30–60 min | <0,5 mg/L | Séparation des boues, sans mélange |
| Extraction | 30–60 min | <0,5 mg/L | Soutirage de l'effluent clair |
| Repos | 0–30 min | — | Tampon pour synchroniser les files parallèles |
L'alimentation continue pendant la phase de réaction réduit l'émission de N₂O par rapport à l'alimentation discontinue, car l'influent continu soulage la compétition électronique entre les réductases de dénitrification pendant les intervalles limitants en oxygène (Sun et al., 2015). Le cycle doit produire un effluent conforme à la classe 1-A de la GB 18918–2002 : NT ≤15 mg/L, DCO ≤50 mg/L, NH₃-N ≤5 mg/L (Zhang et al., 2021).
Correction de température des paramètres cinétiques CASS
La température de l'eau est la variable la plus influente pour la conception CASS, car presque tous les paramètres cinétiques ASM1 — Y_H, b_H, μ_H,max, k_h, K_S, K_O,H — varient avec elle (Zhang et al., 2021). Caler le modèle à 20 °C et appliquer le résultat à un bassin d'hiver à 10 °C sous-dimensionnera l'aération et le SRT.
La respirométrie à la station de Zhangjiakou a été réalisée à 10 °C et 20 °C et a produit deux jeux distincts de paramètres dominants. Le jeu sensible d'été à 20 °C était k_h, μ_H,max, K_S, K_O,H, μ_A,max. Le jeu sensible d'hiver à 10 °C était k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max. Des valeurs calées différentes pour un même paramètre selon la saison ont orienté la stratégie de mise à niveau (Zhang et al., 2021). Pour les conceptions 2026 en régions froides, 10 °C doit être la température de conception hivernale pour dimensionner la capacité d'aération, le SRT et le HRT du sélecteur. Une correction de type Arrhenius avec un coefficient de température θ est appliquée au déclin endogène b_H ; la littérature d'ingénierie utilise couramment θ ≈ 1,04–1,07 pour le déclin hétérotrophe, et la même approche s'étend à μ_H,max et k_h.
| Saison | Température de conception | Paramètres cinétiques dominants |
|---|---|---|
| Été | 20 °C | k_h, μ_H,max, K_S, K_O,H, μ_A,max |
| Hiver | 10 °C | k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max |
Adaptation des paramètres de conception CASS aux eaux usées industrielles
La station de référence de Zhangjiakou traite 20 000 m³/jour d'eaux usées domestiques à DCO <200 mg/L et DCO/N <4 (Zhang et al., 2021). Les applications CASS industrielles se situent dans une enveloppe différente : l'influent typique est DCO 500–5 000 mg/L et DCO/N 5–20, et les fractions lentement biodégradables exigent un SRT plus long (25–40 j) et un cycle plus long (8–12 h au total). Le CASS a été adapté aux lixiviats de décharge, aux eaux usées de l'industrie agroalimentaire, aux effluents de cokerie et aux condensats papetiers, et la revue 2024 sur les boues activées cycliques documente des extensions en cours vers des configurations enzymatiques et à biomasse fixée (Mosaferi et al., 2025, Sustainable Chemistry for the Environment Vol. 9, art. 100191).
| Paramètre de conception | CASS domestique | CASS industriel |
|---|---|---|
| DCO de l'influent | <200 mg/L | 500–5 000 mg/L |
| Rapport DCO/N | <4 (faible C/N) | 5–20 (C/N élevé) |
| SRT | 15–25 j | 25–40 j |
| Durée totale du cycle | 4–6 h | 8–12 h |
| Prétraitement | Décantation primaire | Égalisation + système de flottation à air dissous série ZSQ pour graisses/colloïdes |
Associer le CASS à un système de flottation à air dissous série ZSQ en amont élimine les graisses, huiles, matières grasses et matières colloïdales qui surchargeraient autrement le sélecteur et augmenteraient les MES de l'effluent. Pour les sites où la qualité de polissage de l'effluent est critique — typiquement les applications de réutilisation ou des limites P-total strictes — une étape de polissage telle qu'un système MBR (bioréacteur à membrane) ou un système de dosage chimique automatique pour la précipitation chimique du phosphore peut être ajoutée en aval.
CASS vs SBR vs AAO : quand choisir chaque réacteur
La question d'approvisionnement n'est que rarement « dois-je utiliser le CASS » — c'est « compte tenu de mon débit, de mon influent, de mon emprise et de mes limites de rejet, quelle famille de réacteurs dimensionner en premier ». Un cadre de décision 2026 pour cette réunion figure ci-dessous ; voir également le guide 2026 du principe de fonctionnement du procédé AAO et la référence 2026 des paramètres de conception des chenaux d'oxydation pour les familles de réacteurs voisines, ainsi que le guide 2026 du schéma de procédé IFAS pour les alternatives hybrides à biomasse fixée.
| Critère | CASS | SBR conventionnel | AAO |
|---|---|---|---|
| Régime hydraulique | Cyclique temporel + sélecteur | Cyclique temporel, sans sélecteur | Flux continu, recirculation interne |
| Plage de débit typique | 1 000–50 000 m³/jour | <20 000 m³/jour | 10 000–500 000+ m³/jour |
| Emprise | Compact, un seul bassin par file | Compact, un seul bassin par file | Plus grande, zones multiples |
| Élimination du NT | ≤15 mg/L atteignable avec un sélecteur adapté | ≤15 mg/L atteignable, sans avantage de sélecteur | ≤10 mg/L atteignable avec réglage de la recirculation interne |
| Élimination du PT | Partielle ; polissage chimique souvent nécessaire | Partielle ; polissage chimique souvent nécessaire | Déphosphatation biologique possible jusqu'à <1 mg/L |
| Compétence d'exploitation | Modérée (commandes temporisées) | Modérée (commandes temporisées) | Plus élevée (taux de recirculation, contrôle d'OD entre zones) |
| CAPEX | Plus faible (pas de bassin sélecteur séparé) | Plus faible | Plus élevé (zones anaérobie/anoxique/aérobie séparées) |
| Meilleur usage | Domestique à faible C/N, débits petits-moyens, emprise contrainte | Débits industriels de charge variable, flexibilité discontinue | Grands débits, déphosphatation biologique requise |
Les avantages du CASS sont la flexibilité de configuration, la simplicité d'exploitation, l'élimination simultanée N/P et les faibles coûts de construction et de maintenance (Zhang et al., 2021). Les inconvénients du CASS sont une extensibilité limitée au-delà d'environ 50 000 m³/jour sans files parallèles, une sensibilité à la décantabilité des boues et le recours au polissage chimique pour des limites PT strictes. Choisissez l'AAO lorsque la déphosphatation biologique est requise à grand débit et que l'exploitant peut gérer 200–400 % de RAS et 100–300 % de recirculation des nitrates.
Questions fréquentes
Quelle est la durée de cycle CASS typique et comment la répartir ?
Un cycle CASS typique dure 6 heures, réparti en 90 minutes de remplissage, 180–240 minutes de réaction (aération), 30–60 minutes de décantation et 30–60 minutes d'extraction (Zhang et al., 2021). Un temps de repos est ajouté au besoin pour aligner quatre files CASS parallèles en alimentation continue.
Quelle plage de MLSS est normale dans un réacteur CASS ?
Les réacteurs CASS fonctionnent typiquement à 3 000–5 000 mg/L de MLSS. Le réacteur de laboratoire de l'étude Sun et al. (2015) était maintenu à environ 3 000 mg/L, et la station en grandeur réelle de Zhangjiakou opère dans la bande 3 000–5 000 mg/L (Zhang et al., 2021).
Le CASS peut-il atteindre NT ≤15 mg/L en climat froid ?
Oui, mais le sélecteur et le SRT doivent être dimensionnés pour des conditions hivernales à 10 °C et les paramètres cinétiques (k_h, K_X, K_NH, K_S, b_A, μ_H,max) doivent être recalés saisonnièrement (Zhang et al., 2021). Concevoir à 20 °C et exploiter à 10 °C est la cause la plus fréquente de non-conformité NT dans le nord de la Chine.
En quoi l'alimentation continue diffère-t-elle de l'alimentation discontinue en CASS ?
L'alimentation continue pendant la phase de réaction réduit l'émission de N₂O et améliore l'élimination du NT pour les eaux usées domestiques à faible C/N, car l'apport continu de carbone soulage la compétition électronique entre les réductases de dénitrification pendant les intervalles limitants en oxygène (Sun et al., 2015).
Le CASS convient-il aux eaux usées industrielles ?
Oui, avec un prétraitement — typiquement un système DAF (flottation à air dissous) pour extraire les graisses et les colloïdes — et un SRT allongé de 25–40 jours pour traiter la DCO lentement biodégradable. La revue 2024 sur les boues activées cycliques documente des extensions en cours vers des configurations enzymatiques et à biomasse fixée pour usage industriel (Mosaferi et al., 2025).
