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CA 02394359 2002-06-03
WO 01/42150 PCT/FR00/02973
Procédé et installation de traitement d'eaux résiduaires
comprenant un traitement additionnel des boues par ozonation
La présente invention a pour objet un procédé et une installation d'épuration
d'eaux usées, notamment d'eaux résiduaires urbaines ou industrielles,
comportant un traitement additionnel des boues par ozonation afin de
réduire les quantités de boues produites par un traitement biologique et
d'augmenter les flux transitant par le système de clarification des boues.
La présente invention se propose également de réduire, d'une part, le coût
de traitement des boues en excès et d'autre part, les coûts d'investissement
du système de séparation eaux-boues.
Il est connu que le traitement des eaux résiduaires fait largement appel aux
procédés des boues activées qui sont basés sur le principe de la floculation
naturelle de populations bactériennes mises au contact avec l'eau à épurer.
On obtient ainsi un mélange appelé liqueur mixte qui est placé dans des
conditions d'aération nécessaires à la transformation biochimique de la
matière organique carbonée ou azotée qui est contenue dans l'eau à traiter.
Il s'agit là de procédés performants, largement utilisés, mais dont la
capacité
hydraulique de traitement est fréquemment limitée en raison de problèmes
biologiques qui affectent négativement la décantabilité des boues floculées
(il se produit un foisonnement des boues) et, par voie de conséquence,
réduisent le débit admissible lors de la clarification qui constitue l'étape
finale et clé du traitement.
Par ailleurs, on sait que les procédés de traitement biologiques présentent
l'inconvénient de produire d'importantes quantités de boues en excès, dont
la destination finale pose des problèmes en ce qui concerne la sauvegarde
de l'environnement et dont le coût d'évacuation est de plus en plus
prohibitif.
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Afin de résoudre ces problèmes, on a proposé diverses solutions. A titre
d'exemple, on mentionnera l'utilisation de chlore ou d'ozone afin de réduire
la prolifération de germes filamenteux. A titre d'exemple de cette solution,
on
peut citer la publication Domestic and Industrial Wastewater Treatment
with Ozonated Activated Sludge de H-Van Leeuwen parue dans Ozone
Science and Engineering , Vol. 10 pp 291-308 (1988). En ce qui concerne
le problème de la réduction de la production des boues, on peut se référer à
EP-A-0 645 347 qui décrit un procédé dans lequel on effectue un traitement
à l'ozone de la boue, couplé à un prétraitement à pH acide de la boue, afin
de réduire la production de boues en excès. Une variante de ce traitement
connu est décrite dans FR-A-2 766 813 qui décrit un procédé dans lequel le
traitement d'ozonation est couplé à un traitement mécanique des boues.
On notera que la mise en oeuvre de ces procédés connus permet d'obtenir
une amélioration notable de la décantabilité des boues (entre 20 et 50%).
On connaît également la possibilité d'obtenir des boues présentant l'aspect
de granules ou boues granuleuses.
En milieu anaérobie, le procédé d'obtention de ces granules consiste dans
l'addition de nucléi voire de micro-supports ainsi que dans des vitesses
ascensionnelles élevées de l'eau à traiter appliquées dans le réacteur
anaérobie. Un exemple d'application de cette méthode est donné dans la
publication Granular Sludge Formation in the Anaerobic Expanded Micro-
Carrier Process parue dans Water Science Technoiogy vol 23, pp
1167-1177.
En milieu aérobie, un premier exemple d'application d'obtention de boues
granuleuses aérobies est donné dans la publication Aerobic Granulation in
a Sequencing Batch Reactor de J.J. Beun et al, parue dans Water
Research Vol 33, n 10 pp 2283-2290 - 1998. La filière utilisée est du
type SBR ( Sequencing Batch Reactor ) et le mode d'obtention des boues
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granuleuses est très dépendant des conditions de fonctionnement de
l'installation et passe obligatoirement par une première étape conduisant à
la formation de granules filamenteux, avec des champignons spécifiques
type Fungi.
Partant de cet état de la technique, la présente invention s'est fixée pour
objectif de résoudre le problème consistant à obtenir directement des flocs
présentant l'aspect de granules ou de boues granuleuses, permettant une
amélioration de la décantabilité des boues, et ce, en milieu aérobie sans
ensemencement spécifique.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un procédé
d'épuration d'eaux résiduaires chargées en matières organiques, qui
comporte une étape de traitément biologique des eaux durant laquelle les
matières organiques contenues dans les eaux sont dégradées par des
micro-organismes en produisant des boues et une étape de séparation eau-
boues, les boues en sortie de l'étape de séparation étant recyclées dans
l'étape de traitement biologique, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il
comporte en outre, une étape de dégradation des boues, issues, soit de
l'étape de traitement biologique, soit de -'étape de séparation au cours de
laquelle les boues sont mises au contact d'un gaz ozoné dans des
conditions permettant d'obtenir un floc constitué de granules dont la
dimension moyenne est supérieure à 200 microns, le taux de matière
volatile est compris entre 50 et 65 %, le facteur d'épaississement de ces
boues granuleuses, après une décantation pendant 30 minutes étant
toujours supérieur à 4, les conditions d'obtention desdites boues
granuleuses consistant à : par Jou.r
- traiter entre 0,1 et 2 fois la masse de boues présente/dans le
traitement biologique et de préférence entre 0,7 et 1,5 et,
- appliquer une dose d'ozone comprise entre 3 et 100 grammes
d'ozone par kilo de matières en suspension (MES) traitées, de préférence
entre 4 et 10 grammes d'ozone par kg de MES traité.
FEUILLE MODIFIÉE
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Selon la présente invention, l'étape d'ozonation peut être mise en oeuvre de
manière continue ou discontinue.
Une explication des phénomènes découverts par la présente titulaire est
donnée ci-après. L'action de l'ozone induit un stress du métabolisme
bactérien caractérisé par la solubilisation de matières organiques et
minérales et une modification substantielle du métabolisme bactérien. La
réaction enzymatique par rapport au stress est appelée énergie de
maintenance. L'une des causes visibles est le regroupement du floc dans
une nouvelle structure granuleuse, c'est-à-dire une autoprotection physique
de la faune bactérienne contre le stress. Selon une deuxième caractéristique
de l'invention, les bactéries vont utiliser le substrat provenant de l'eau
traitée
non plus pour se reproduire mais pour résister aux effets du stress par
augmentation de l'énergie de maintenance.
Selon un deuxième aspect la présente invention a pour objet une installation
de traitement des eaux mettant en oeuvre le procédé défini ci-dessus.
Cette installation comprend au moins un réacteur de traitement biologique
recevant les eaux brutes chargées en matières organiques qui sont
dégradées par des micro-organismes en produisant des boues et un
séparateur solide/liquide qui reçoit les eaux résiduaires provenant du
réacteur biologique et qui assure la séparation de l'eau des boues, une
boucle de recyclage permettant de ramener vers le réacteur biologique au
moins une partie des boues ainsi séparées. Cette installation est
caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de dégradation des boues
recueillant une partie des boues provenant soit du réacteur biologique soit
du séparateur et soumettant ces boues à un traitement d'ozonation, les
boues ainsi traitées étant ensuite recyclées dans le réacteur biologique.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en
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illustrent de façon schématique des exemples de réalisation dépourvus de
tout caractère limitatif.
Sur les dessins
La figure 1 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'une
installation de traitement d'eaux résiduaires mettant en oeuvre le procédé
objet de l'invention ;
Les figures 2 et 3 représentent de façon schématique deux modes de
réalisation du moyen de dégradation des boues,
Les figures 4 et 5 illustrent respectivement l'aspect du floc obtenu selon le
procédé objet de l'invention et selon la technique antérieure, et
La figure 6 illustre le suivi de la production de boues en fonction du temps,
pour chaque filière de traitement.
En se référant à la figure 1 qui représente de façon schématique une station
d'épuration d'eaux usées, on voit que cette dernière comprend :
- une arrivée d'eau brute 1 chargée en matières organiques ;
- au moins un réacteur de traitement biologique 2, tel que notamment
un bassin d'aération, un réacteur à cultures fixées ou à cultures libres, un
digesteur anaérobie ou autres, dans lequel les matières organiques
contenues dans l'eau brute sont dégradées par des micro-organismes en
produisant des boues ;
- un moyen de séparation solide-liquide tel que par exemple un
clarificateur 3 qui reçoit les eaux résiduaires provenant du réacteur
biologique 2 et qui sépare l'eau des boues
- une sortie d'eau traitée 4 qui recueille l'eau en sortie du clarificateur
3 et,
- une boucle de recyclage 5 des boues provenant du clarificateur 3,
ces boues étant ainsi ramenées en tête du réacteur biologique 2 comme on
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le voit clairement sur la figure 1. Cette boucle de recyclage 5 assure un
débit
représentant de 50 à 300% du débit normal des eaux résiduaires devant être
traitées par la station d'épuration.
Selon l'invention, l'installation comporte en outre une boucle 6 de
dégradation des boues qui recueille une partie des boues du réacteur
biologique 2 et qui renvoie ces boues dans le réacteur 2 après passage
dans un système d'ozonation des boues désigné dans son ensemble par la
référence 7 sur la figure 1. Selon l'invention, les boues qui sont dégradées
par ozonation dans le système 7 peuvent être issues soit du traitement
biologique des eaux à traiter (comme illustré par la figure 1) , soit du
dispositif de séparation des boues 3.
La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un système d'ozonation 7
selon l'invention. Dans cet exemple non limitatif, ce système comprend une
alimentation 20 en boues provenant du réacteur biologique 2, une pompe
d'alimentation ou de reprise 8 de ces boues alimentant un mélangeur
dynamique 9 entraîné par un moteur 10 et qui est muni d'une conduite
d'alimentation 11 d'un gaz ozoné constitué d'ozone mélangé à un gaz
vecteur pouvant être de l'air ou de l'oxygène ou un mélange de ces deux
gaz, le mélange entre les boues et le gaz ozoné étant effectué dans ce
mélangeur dynamique 9 .
Le système 7 comporte en outre une chambre de réaction 12 dans laquelle
s'effectue l'épuisement du gaz ozoné mélangé aux boues, le temps de
contact entre ces dernières et le gaz ozoné étant compris entre 10 secondes
et 90 minutes, de préférence entre 5 et 30 minutes. Les boues traitées sont
évacuées en 13 et recyclées dans le réacteur biologique 2. On prévoit un
système d'évacuation 14 du gaz résiduel par exemple vers une unité de
destruction de l'ozone résiduel. Avantageusement, lorsque le gaz vecteur
est constitué d'oxygène et que le réacteur biologique est un bassin
d'aération, on pourra, après ou sans destruction de l'ozone résiduel,
renvoyer l'oxygène dans le bassin d'aération.
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Sur la figure 3, on a représenté un autre exemple de réalisation du système
7 assurant la dégradation, par ozonation, des boues. Dans cet exemple de
réalisation, ce système comprend un réacteur 17 de mise en contact de
l'ozone avec les boues à traiter, celles-ci étant amenées depuis le réacteur
biologique 2 par l'intermédiaire d'une pompe d'alimentation 15 ou de reprise,
ce réacteur 17 étant muni d'une arrivée de gaz ozoné 16 composé d'ozone
mélangé à un gaz vecteur qui peut être de l'air ou de l'oxygène ou un
mélange des deux gaz. Avantageusement, le temps de contact entre les
boues et les bulles de gaz ozoné est compris entre 10 secondes et 90
minutes, de préférence entre 5 et 30 minutes. Les boues sont évacuées en
18 afin d'être ramenées vers le réacteur biologique 2. Le réacteur 17
comporte, à sa partie supérieure, un moyen d'évacuation 19 du gaz résiduel,
par exemple vers une unité de destruction de l'ozone résiduel. Comme décrit
précédemment en référence à la figure 2, dans le cas d'utilisation d'oxygène
comme gaz vecteur et lorsque le réacteur biologique 2 est un bassin
d'aération, on pourra après destruction ou non de l'ozone résiduel, renvoyer
l'oxygène dans le bassin d'aération.
On a donné ci-après, d'une part, un exemple de référence conforme à un
procédé classique de traitement des eaux et un exemple de mise en oeuvre
du procédé objet de la présente invention. Les deux procédés ont été mis en
oeuvre dans les mêmes conditions de charges massique et volumique
appliquées et le procédé biologique de traitement des eaux utilisé était du
type boues activées. Bien entendu, ces exemples peuvent être extrapolés à
tous types de procédés biologiques qu'ils soient de type à base de cultures
libres ou fixées.
1 ) Exemple de référence :
On a utilisé en tant que réacteur biologique 2, un bassin d'aération
présentant un volume de 200 litres, la concentration de boues dans le
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bassin d'aération étant de 4 grammes MES par litre. Le bassin était alimenté
par de l'eau brute présentant les caractéristiques suivantes
Débit d'alimentation : 26 I/ heure
DCOt: 300 mg/1
MES : 80 mg/1
La production de boues obtenue après un mois de fonctionnement s'est
élevée en moyenne à 60 g MES/jours, l'indice de boues s'élevait à 120 ml/g,
ce qui autorise des vitesses de décantation de l'ordre de 1 m/h, et le facteur
d'épaississement après 30 minutes de décantation était égal à 2.
Les caractéristiques de l'eau traitée étaient les suivantes
DCOt: 45 mg/I.
MES : 10 mg/I.
On a représenté sur la figure 5, l'aspect du floc obtenu. On retrouve un
aspect de floc traditionnel des procédés à boues activées fonctionnant en
faibles charges avec la présence de nombreux protozoaires; le taux de
matières volatiles des boues s'élève à 75 %.
2 ) Exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention :
Les conditions de traitement, les caractéristiques des eaux brutes traitées et
la concentration en boues dans le bassin d'aération étaient les mêmes que
celles de l'exemple de référence mais les boues ont été soumises à un
traitement additionnel, par ozonation conformément à la présente invention.
Le traitement d'ozonation selon l'invention a été réalisé de manière à traiter
800 g. de MES par jour soit une fois la masse du bassin d'aération par jour,
avec une dose d'ozone de 5 g. par kg de MES traitées. L'ozonation a été
effectuée conformément à l'exemple de mise en oeuvre de l'invention illustré
par la figure 2.
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Après un mois de fonctionnement, la production de boues s'est élevée en
moyenne à 5 g MES/j. et l'indice de boues s'est élevé à 30 ml/g., ce qui
autorise des vitesses de décantation de l'ordre de 4 m/h.
Les caractéristiques de l'eau traitée étaient les suivantes
DCOt: 50 mg/I.
MES : 10 mg/I.
L'aspect du floc est représenté sur la figure 4. Il se présente sous la forme
de petits granules dont la dimension moyenne est supérieure à 200 microns,
dont la teneur en matières volatiles est de 60 %, et dont le facteur
d'épaississement après 30 minutes de décantation, s'élève à 6.
Le suivi de la production de boues, en fonction du temps, est représenté sur
la figure 6, pour chaque filière de traitement.
On a observé, ce qui constitue une constatation tout à fait surprenante et
inattendue, que les effets du traitement conforme à la présente invention
continuent à se manifester dans le temps et qu'ils sont irréversibles.
Par rapport à l'exemple de référence décrit ci-dessus, les résultats
mentionnés ci-dessus procurés par le procédé de l'invention apportent les
avantages suivants :
- augmentation d'un facteur de 4 à 6 des flux hydrauliques traités par
le séparateur ;
- diminution importante de la quantité de boues produites : les boues
produites peuvent être douze fois moins importantes que celles issues d'un
procédé classique. Ainsi, on a constaté une proportion de boues réduites de
40 à 95% par rapport à un traitement conventionnel sans addition de réactifs
chimiques ;
- les quantités d'ozone mises en oeuvre sont faibles, ce qui rend le
procédé économiquement attractif grâce aux gains significatifs obtenus sur
les coûts d'élimination des boues ainsi que sur le coût d'investissement de la
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station notamment en raison de la diminution des dimensions du dispositif
de séparation liquide/solide;
- obtention d'un indice de boues, caractérisant leur décantabilité,
inférieur à 50 ml/g voire inférieur ou égal à 30 ml/g à comparer avec l'indice
des boues obtenu dans le cas des installations classiques (100 à 150 mi/g.);
- aucun ensemencement particulier n'est nécessaire.
Par ailleurs, l'oxydation partielle des boues par l'ozone entraîne la
production de matières organiques assimilables, utilisables, en particulier,
comme nutrients dans l'étape de dénitrification.
II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux
modes de mise en oeuvre et aux exemples de réalisation décrits et/ou
mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes
