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PROCEDE ET INSTALLATION D'EPURATION D'EAUX RESIDUAIRES PAR UN
TRAITEMENT BIOLOGIQUE.
L'invention est relative à un procédé d'épuration d'eaux résiduaires par
un traitement biologique mettant en oruvre un ensemble de micro-organismes
pour
l'élimination du carbone et de l'azote, voire du phosphore, une partie des
micro-
organismes étant fixée sur des supports solides mobiles et constituant une
biomasse fixée fluidisée.
Le traitement biologique des eaux vise l'élimination du carbone, de
l'azote, voire du phosphore, grâce à l'activité métabolique d'un ensemble de
bactéries ayant des spectres métaboliques différents. Ces caractéristiques
imposent des conditions de fonctionnement et en particulier des temps de
séjours
hydrauliques et biologiques spécifiques nécessitant la multiplication du
nombre des
ouvrages. Ceci engendre, comme inconvénients, des coûts de construction élevés
et une emprise au sol importante.
Le développement de procédés biologiques permettant une croissance
bactérienne sous forme de biofilm fixé sur des supports solides mobiles, en
particulier comme montré par EP 0 575 314, a permis d'envisager des conditions
de faible charge massique avec des ouvrages de traitement de taille plus
réduite.
La charge éliminée est ainsi exprimée en kgDCO/m3 de matériaux/J. La
fourniture
en oxygène est par ailleurs accrue au-delà des besoins métaboliques pour
permettre une bonne homogénéisation des supports dans le réacteur. Le coût
élevé des supports représente une part très importante du coût total de
construction de l'installation et constitue bien souvent une limite à la
diffusion du
procédé. Les conditions d'élimination de l'azote impose de plus l'ajout de
carbone
externe (de type méthanol) pour satisfaire les rendements de dénitrification,
ce qui
pénalise le coût d'exploitation.
Différentes alternatives pour pallier les inconvénients évoqués
précédemment sont envisagées au procédé à boues activées classique : par
exemple l'ajout de procédés membranaires dans le réacteur biologique ou sur la
re-circulation des boues.
Ces procédés nécessitent des phases de lavages importantes
pénalisant leur rentabilité globale.
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La fraction carbonée est présente dans l'eau sous forme soluble et
dissoute et estimée par la DCO (demande chimique d'oxygène). Les bactéries
hétérotrophes sont capables d'assimiler ce carbone en condition aérobie ou en
présence de nitrates permettant ainsi la dénitrification du milieu aquatique.
Selon le
ratio DCO/biomasse présent dans le réacteur, leur besoin en oxygène est plus
ou
moins important : lorsque ce ratio est faible (faible charge massique) le
besoin en
oxygène pour dégrader une même quantité de DCO est près de 40% supérieur à
celui nécessaire en cas de ratio élevé (forte charge massique). Ainsi
l'assimifation
du carbone est plus économique en condition de forte charge massique. A noter
que dans ces conditions, le rendement d'élimination du carbone est de l'ordre
de
75 à 85%.
Le traitement de l'azote nécessite une première étape appelée
nitrification qui consiste à oxyder biologiquement l'ammonium sous forme de
nitrites et/ou de nitrates. Les bactéries réalisant cette étape ont un taux de
croissance faible, nécessitant leur maintien dans le système pendant une
longue
période et occasionnant, par là même, des conditions de faible charge
massique.
La seconde étape appelée dénitrification nécessite du carbone disponible pour
réaliser la réduction des nitrites et/ou nitrates en azote gazeux. Les
cinétiques de
dénitrification sont du même ordre de grandeur que celle de la nitrification.
Un traitement poussé du carbone en condition de faible charge
massique n'est pas toujours compatible avec une dénitrification et occasionne
l'ajout de carbone externe sous forme de méthanol par exemple, ce qui
représente, outre un surcoût d'exploitation, des contraintes importantes en
terme
de sécurité aux abords de la station.
L'invention a pour but, surtout, d'optimiser les volumes des réacteurs et
la fourniture d'oxygène.
Cette optimisation est obtenue en couplant des conditions de forte
charge massique en culture libre et un traitement de l'azote en condition de
faible
charge massique par la biomasse fixée fluidisée. La culture libre est re-
circulée à
partir d'un système de flottation des boues, réalisé dans un ouvrage avec une
vitesse supérieure à lOm/H. La re-circulation est contrôlée de manière à ce
que la
concentration soit compatible avec le système de flottation retenu.
Selon l'invention, le procédé d'épuration d'eaux résiduaires par un
traitement biologique mettant en oruvre un ensemble de micro-organismes ayant
des spectres métaboliques différents, pour l'élimination du carbone et de
l'azote,
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voire du phosphore, une partie des micro-organismes étant fixée sur des
supports
solides mobiles et constituant une biomasse fixée fluidisée, est caractérisé
en ce
que :
- une autre partie des micro-organismes est libre pour un traitement de
type boue activée,
- on prévoit une première zone non aérée de traitement suivie d'une
deuxième zone aérée de traitement,
- on soumet l'effluent traité à une séparation solide/liquide par flottation
à une vitesse supérieure à 10m/H, et
- on re-circule une partie de la boue récupérée par flottation vers le
traitement par boue activée, cette re-circulation étant contrôlée pour que la
concentration en MES (matières en suspension) de l'effluent soumis à la
séparation liquide/solide reste compatible avec la flottation retenue.
De préférence, on couple des conditions de forte charge massique en
culture libre et un traitement de l'azote en condition de faible charge
massique par
la biomasse fixée fluidisée. La forte charge massique correspond, de
préférence, à
une charge supérieure à 0,4 kgDBO5.kg-'MV.j-',
Avantageusement, la re-circulation de boue récupérée par flottation vers
le traitement par boue activée est contrôlée pour que la concentration en MES
de
l'effluent soumis à la flottation reste comprise entre 0.3 g/L et 1.5 g/L.
On peut prévoir que la première zone non aérée de traitement est une
zone de traitement anoxie à forte charge, pour une élimination de la majeure
partie
du carbone et d'une partie de l'azote principalement par action de bactéries
hétérotrophes, suivie de la deuxième zone aérée de traitement pour élimination
de
l'azote.
Les deux zones de traitement peuvent être séparées physiquement.
Une fraction des nitrates produits dans la deuxième zone aérée de
traitement peut être re-circulée vers la première zone de traitement anoxie.
Avantageusement, on mesure la concentration en MES dans la
première zone de traitement anoxie à forte charge, et on commande le taux de
re-
circulation de la boue récupérée par flottation de manière à maintenir la
concentration en MES dans la plage souhaitée.
L'invention est également relative à une installation pour l'épuration
d'eaux résiduaires comportant un réacteur biologique contenant un ensemble de
micro-organismes ayant des spectres métaboliques différents, pour
l'élimination du
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carbone et de l'azote, voire du phosphore, une partie des micro-organismes
étant
fixée sur des supports solides mobiles et constituant une biomasse fixée
fluidisée,
caractérisée en ce que :
- une autre partie des micro-organismes est libre pour un traitement de
type boue activée,
- le réacteur biologique comprend une première zone non aérée de
traitement suivie d'une deuxième zone aérée de traitement.,
- l'installation comporte, en aval du réacteur biologique, un flottateur à
vitesse de séparation supérieure à 10 m/H qui reçoit l'effluent sortant du
réacteur
biologique,
- un circuit est prévu pour re-circuler une partie de la boue récupérée du
flottateur vers le réacteur biologique,
-et des moyens sont prévus pour maintenir la concentration en MES de
l'effluent dans une plage compatible avec la flottation.
De préférence, la concentration en MES de l'effluent soumis à la
flottation est maintenue entre 0.3 g/L et 1.5 g/L.
Les moyens pour maintenir dans une plage déterminée la concentration
en MES de l'effluent soumis à la flottation peuvent comprendre :
- un moyen de mesure de la concentration en MES dans le réacteur
biologique,
- un contrôleur auquel est envoyé le résultat de la mesure,
- et une pompe, commandée par le contrôleur, pour le débit de re-
circulation.
Avantageusement, la première zone non aérée de traitement est une
zone anoxie à forte charge, pour une élimination de la majeure partie du
carbone
et d'une partie de l'azote, principalement par action de bactéries
hétérotrophes,
suivie d'une deuxième zone aérée de traitement pour élimination de l'azote.
Les deux zones de traitement peuvent être séparées physiquement.
Une fraction des nitrates produits dans la deuxième zone aérée de traitement
peut
être re-circulée vers la première zone de traitement anoxie.
Ce système présente d'une part l'avantage de produire de manière
naturelle peu de boues en excès, ces boues étant d'autre part fortement
fermentescibles et donc source potentielle de carbone utilisable pour la
dénitrification après traitement spécifique.
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L'invention propose une solution nouvelle alliant les avantages de la
culture fixée pour le traitement de l'azote (nitrification et dénitrification)
et ceux
d'une boue activée forte charge en tête, pour améliorer le traitement global.
Cette
association autorise une réduction significative de la taille des ouvrages et
des
besoins en oxygène et permet, de plus, l'utilisation d'un système de
séparation de
la biomasse à grande vitesse par flottation des boues, compatible avec
l'objectif de
réduction de la taille des ouvrages de traitement et de qualité des rejets sur
la
concentration en phosphore.
Les supports de la biomasse fixée sont retenus dans le réacteur tandis
que l'eau traitée et la biomasse libre sont orientées sur le flottateur de
séparation à
haute vitesse, selon les exigences de la qualité d'eau traitée.
Le flottateur présente un volume significativement plus faible qu'un
clarificateur classique et l'ajout possible de réactif assure une qualité
optimale de
traitement et offre la possibilité d'éliminer par précipitation l'excès de
phosphore.
La zone de forte charge en tête est utile pour permettre une hydrolyse
de la matière organique dissoute, voire particulaire, amenée par l'eau usée.
Cette
pré-hydrolyse en condition anoxie produit de la matière organique facilement
assimilable nécessaire pour l'étape de dénitrification et améliore les
cinétiques de
nitrification par les bactéries autotrophes en zone aérée.
De plus une partie des nitrates sont dégradés dans cette zone de forte
charge en tête réduisant d'autant la quantité de supports en zone anoxie.
Le traitement complet de l'azote (nitrification et dénitrification) peut être
avantageusement obtenu soit par une aération séquencée soit par une
configuration de type chenal permettant l'utilisation du carbone résiduel
après la
forte charge pour la dénitrification.
Outre le gain en terme de taille d'ouvrage et de fourniture en oxygène,
l'invention permet d'écrêter, grâce à la forte charge, les variations de
charge
organique souvent observées et propices à des dysfonctionnements de type
filamenteux sur les traitements en aération prolongée, et sur les cultures
fixées de
limiter le développement d'un biofilm lâche peu résistant aux forces
d'abrasion
mises en ceuvre dans le réacteur aéré ou anoxique.
Selon les conditions d'exploitation et les normes de rejet de l'eau traitée,
on peut séparer la zone de forte charge de celle à culture fixée et établir
des
circulations préférentielles des supports, de la phase liquide et de celle
solide.
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L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus,
en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement
question
ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence au dessin
annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ce dessin :
Fig.1 est un schéma d'une installation conforme à l'invention et
Fig.2 est un schéma d'une variante de réalisation de l'installation selon
l'invention.
En se reportant à Fig.1 du dessin, on peut voir une installation E pour
l'épuration d'eau résiduaire qui comporte un réacteur biologique 1 contenant
un
ensemble de micro-organismes ayant des spectres métaboliques différents pour
l'élimination du carbone et de l'azote, voire du phosphore. Une partie des
micro-
organismes est fixée sur des supports solides mobiles 2 représentés
schématiquement par des cercles sur le dessin. L'arrivée d'eau à traiter est
assurée par une conduite 3. La sortie de l'effluent traité est assurée par une
conduite 4. Une grille de rétention (non représentée) est prévue sur la sortie
de
l'effluent traité pour maintenir les supports 2 dans le réacteur 1.
Une autre partie des micro-organismes est libre dans la liqueur du
réacteur 1 pour un traitement de type boue activée.
Le réacteur 1 comprend une première zone non aérée de traitement la
située du côté de la conduite d'entrée 3. Cette zone est avantageusement
prévue
pour un traitement anoxie à forte charge. Cette zone anoxie ne comporte pas,
dans le fond du réacteur, de moyen d'aération pour injecter de l'air.
La forte charge correspond à une charge massique supérieure à
0,4 kgDBO5.kg 'MV.j-1. La lettre j correspond à jour , DBO correspond à la
demande biochimique en oxygène, et DBO5 correspond à la quantité d'oxygène
consommé après 5 jours d'incubation. MV correspond à la teneur en matières
volatiles qui est une évaluation approchée de la matière organique (voir
Memento technique de l'eau 10ème édition DEGREMONT SUEZ, tome 1, pages
418-419, et pages 534-535).
Cette première zone de traitement anoxie à forte charge permet une
élimination de la majeure partie du carbone et d'une partie de l'azote oxydé
principalement par action de bactéries hétérotrophes. La première zone 1 a est
suivie par une deuxième zone lb aérée de traitement pour l'oxydation de
l'azote,
essentiellement par des bactéries autotrophes. La deuxième zone lb comporte,
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dans le fond, des moyens d'aération 5 constitués par exemple par des rampes
d'insufflation d'air dans la liqueur située au-dessus.
L'effluent traité, sortant par la conduite 4 du réacteur 1, est envoyé dans
un flottateur 6 dont la vitesse de séparation solide/liquide est supérieure à
10m/H.
Des flottateurs de ce type sont commercialisés par la société demanderesse, et
sont décrits notamment dans l'ouvrage déjà cité Memento technique de l'eau
10ème édition, tome 2, pages 876-877. Les particules solides se rassemblent
sous
forme d'un lit de boue 7 en partie supérieure du flottateur. Une partie des
boues
est re-circulée par une canalisation 8 vers la conduite 3 d'entrée du réacteur
1.
L'autre partie des boues est évacuée.
La re-circulation des boues est contrôlée pour que la concentration en
matière en suspension (MES) de l'effluent envoyé par la conduite 4 dans le
flottateur 7 reste comprise entre 0.3 g/L et 1.5 g/L afin d'assurer un bon
fonctionnement de ce flottateur 6. Pour exercer le contrôle, on prévoit au
moins
une sonde 9 de mesure de la concentration en MES, en particulier dans la zone
de
traitement anoxie la. Le résultat de la mesure est transmis à un contrôleur 10
ou
micro-ordinateur qui, en fonction de la concentration souhaitée en MES dans le
flottateur 7, commande le taux de recirculation de la boue en réglant la
vitesse
d'une pompe 11 installée sur la canalisation 8.
Fig.2 montre une variante de réalisation de l'installation selon laquelle le
réacteur biologique 21 comporte deux zones de traitement 21a, 21b séparées
physiquement.
La zone 21 a est une zone non aérée, ne comportant pas de moyen
d'aération. Cette zone 21 a, avantageusement zone anoxie, comporte au moins un
moyen d'agitation 12, notamment du type à hélice.
Les éléments de Fig.2 identiques ou jouant un rôle analogue à des
éléments déjà décrits à propos de Fig.1 sont désignés par les mêmes références
numériques sans que leur description soit reprise. La zone aérée 21b, munie en
partie basse de moyens d'aération 5, communique avec la zone 21 a par un
passage non visible sur Fig.2 muni d'une grille pour retenir les supports
solides 2
dans leur partie respective 21 a et 21 b.
Une fraction des nitrates produits dans la deuxième zone aérée 21b de
traitement est re-circulée par une conduite 13 de la zone 21 b à la zone 21 a.
Dans l'installation des Fig. 1 et 2 l'eau traitée est évacuée du flottateur 6
par une conduite 14.
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La zone la ou 21a en tête de l'installation permet une hydrolyse de la
matière organique dissoute, voire particulaire, amenée par l'eau résiduaire.
Cette
pré-hydrolyse en condition anoxie produit de la matière organique facilement
assimilable nécessaire pour l'étape de dénitrification et améliore les
cinétiques de
nitrification par les bactéries autotrophes en zone aérée 1 b.
De plus une partie des nitrates sont dégradés dans cette zone de forte
charge en tête, réduisant d'autant la quantité de supports 2 en zone anoxie.
Le traitement complet de l'azote (nitrification et dénitrification) peut être
obtenu soit par une aération séquencée soit par une configuration de type
chenal
permettant l'utilisation du carbone résiduel après la forte charge pour la
dénitrification.
Exemple
Les données présentées ci-dessous correspondent à un flux
hydraulique journalier de 420 m3/H, une concentration en MES de 250 mg/L avec
un taux de MV (matières volatiles) de 80%. La DCO de l'effluent est de 500
mg/L
dont 40% de DBO. La concentration en azote est de 45 mg/L.
Les objectifs de traitement de l'eau sont les suivanfis : MES de 20 mg/L,
DBO de 20 mg/L, NGL (azote global) de 14 mg/L et PT (phosphore total) de 2
mg/L.
La présence d'une biomasse de forte charge massique (et donc d'un
âge de boue faible, inférieur à 3 jours) en condition d'anoxie permet une pré-
hydrolyse de près de 22% de la DCO entrante, ce qui représente un apport en
DBO facilement assimilable de l'ordre de 33mg/L. Cet apport de DBO est
nécessaire pour assurer une dénitrification totale puisque l'apport en DBO
facilement assimilable par l'eau à traiter (sans étape de pré-hydrolyse) est
estimé à
70 mg/L alors que les besoins pour assurer une dénitrification totale sont de
98
mg/L.
Dans le cas d'une configuration classique, sans re-circulation de
biomasse libre forte charge, il aurait été nécessaire d'apporter cette DBO
complémentaire sous forme de méthanol par exemple.
La présence dans la zone anoxie d'une culture libre en condition de
forte charge contribue également à l'élimination des nitrates : cette
contribution est
estimée entre 10 et 20%, ce qui représente une économie en support dans la
zone
anoxie.
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En conclusion, dans l'exemple chiffré retenu, les avantages de la solution
proposée sont présentés dans le tableau ci-dessous :
Solution conventionnelle Solution proposée
Volume de la zone de 4340 m3 980 m3
pré-anoxie
Volume de la zone 2500 m3 1880 m3
aérée
Surface de la zone de 110 m2 22 m2
récupération des boues
Situation vis-à-vis de la Apport de carbone externe Non limitant en carbone
dénitrification Manque 28 mg/L DBOfa Production de 33 mg/L
DBOfa
Volume total des 7280 m3 2948 m3
ouvrages
L'étape de pré-hydrolyse de la matière organique en condition anoxie va
favoriser les cinétiques de dénitrification en apportant de la DBO facilement
assimilable ( en abrégé : DBOfa) et les cinétiques de nitrification en
limitant l'apport
de carbone dans la zone aérée.
Cette action sur le traitement du carbone jouera de plus un rôle
important en cas d'à-coups de charge puisque la concentration en carbone
biodégradable sera moindre dans la zone aérée.
On remarque que la station de traitement de l'eau nécessite une taille
globale d'ouvrage de l'ordre de 40% par rapport à une solution
conventionnelle.
L'invention s'applique, en particulier, à tout traitement d'effluent
présentant une concentration en carbone pouvant varier de 100mg/L à 800 mg/L
et
contenant une part de carbone assimilable de 20 à 100%, un ratio en masse
carbone/azote supérieur à 3.5 et sans limite pour le ratio carbone/phosphore.
Selon ces caractéristiques, l'effluent traité peut être de l'eau usée
d'origine résiduaire, industrielle ou agricole.
La concentration en matières en suspension de l'effluent pourra être
contrôlée par l'ajout d'une étape de décantation en tête de tout traitement
biologique.
