CA2070245A1 - Procede et installation depuration biologique des eaux residuaires incluant la denitrification - Google Patents

Procede et installation depuration biologique des eaux residuaires incluant la denitrification

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CA2070245A1
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Jacques Sibony
Thierry Coulom
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  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)

Abstract

Procédé et installation d'épuration biologique des eaux résiduaires, incluant la dénitrification. Dans le processus connu où l'eau à traité séjourne dans un bassin à boues activées avant d'être soumis à la clarification, le procédé selon l'invention consiste à envoyer une partie au moins (8) de la liqueur mixte dudit bassin (B2) dans un lit fluidisé séparé (L) garni de granulé solide en expansion, avant de rejoindre la phase de clarification (C). Plusieurs variantes de réalisation sont décrites. Figure 2

Description

~70245 La pr~sente invention a trait au domaine du traitement des eaux usées et résiduaires, ou toutes eaux contenant de 1'azote ammoniacal, par le procédé
biologique dit aux boues activées, dans des cuves ou bassins de fermentation o~ les cultures de micro-organismes, dispersées dans un milieu aqueux plus ou moins riche en él~ments minéraux, se nourrissant d'un substrat organique ou micro-organique. Elle concerne plus spécialement un procédé et une installation d'~puration des eaux permettant d'éliminer ou r~duire totalement 1'azote total de 1'eau par transformation de l'azote ammoniacal en ions nitrates puis élimination de ces derniers, autrement dit selon un processus de nitrification puis dénitrification.
Dans la technique connue du traitement biologique des eaux résiduaires, l'eau, après décantation, est envoy~e dans un bassin aéré puis dans un clarificateur d'o~ la boue ou biomasse est recyclée en t~te du bassin.
On utilise des bactéries hétérotrophes aérobies qui éliminent le carbone par utilisation de l'ox~gène dissous dans le milieu aqueux et des bactéries autotrophes pour transformer l'ammoniac en nitrites et nitrates. Toutefois, le taux de croissance des bacteries autotrophes étant plus faible, elles ne peuvent se maintenir de façon stable dans la boue activee que ci l'âge moyen de cette derniere est élevé, g~n~ralement entre 5 et 30 jours.
Afin d'obtenir un d~veloppement normal de ces bact~ries autotrophes dites nitrifiantes, il est alors nécessaire de concevoir un volume de bassin au moins trois fois plu5 important, de façon ~ multiplier par le m~me chiffre le temps de séjour et l'âge d~s boues. on se heurte alors à des probl~mes de coûts importants pour les installations. En outre, si le processus de
2~7~2~1~

nitrification a bien lieu dans ce cas, on ne peut parvenir ~ la fonction de dénitrification c'est-à-dire de suppression des nitrates de l'eau.
Dans le but d'obtenir successivement une nitrification puis une dénitrification, tout en ~vitant la mise en oeuvre de plusieurs séries de bassins, on a pr~conisé l'utilisation d'un bassin unique muni de sections ou zones alternativement aérées (avec une teneur maximale en oxyg~ne dissous de 1,5 p.p.m.
maximum) et non aérées ou ~ la limite de l'anaérobiose (brevet français publié n 2 372 121). Malgré les perfectionnements apport~s, un tel système exige la mise en oeuvre de volumes importants pour le bassin à
biomasse ou alors la transformation des bassins existants en dispositifs ~ zones multiples alternées.
Afin de pouvoir s'affranchir de la nécessité
d'utiliser un bassin ~ boue activée de très grand volume pour obtenir un temps de s~jour prolongé et un ~ge des boues supérieur à 5 jours en vue d'une possible nitrification puis dénitrification, on peut penser ad~oindre au systame conventionnel précit~ d'~puration, un ensemble à biomasse ~ixé comme par exemple un dispositif de filtration (épuration à lit de charbon actif ou autre charge granulaire type BIOCARBONE
- marque d~posée OTV - ou équivalente). Toutefois, si le dispositif est installé en fin de traitement, après la clarification, la phase de dénitrification ne peut avoir lieu ; si par contre il est prévu en amont du bassin ~ boue activée, on obtient une nitrification/d~nitrification mais le bassin lui-m~me n'est plus véritablement opérationnel ; enfin si le dispositif est placé entre le bassin ~ boue et le clarificateur, la biomasse introduite dans le lit fixe provoque rapidement des phénomènes de colmatage.

2~02~5 L'invention a donc pour but, compte tenu de cet état de la technique, de proposer un procédé permettant d'assurer dans de bonnes conditions à la fois l'~puration des pollutions carbonées et les phases successives de nitrification et dénitrification dans une installation générale de traitement qui ne n~cessite pas d'importantes modifications du volume du bassin à boue activee et qui peut donc ~tre adapt~e aux dispositifs conventionnels existants d'épuration.
Conformément au principe général du procédé de l'invention, où l'ensemble du traitement inclut, après une éventuelle décantation primaire, un sejour en bassin à boue activée et une clarification, on prévoit qu'une partie au moins de la liqueur mixte dudit bassin est envoyée dans un lit fluidisé séparé, garni de granule solide en expansion, avant de rejoindre la phase de clarification.
L'utilisation de la technique des lits fluidisés est, certes, bien connue dans l'épuration des eaux notamment dans le traitement d'une eau brute pour réduire le taux de M.E.S. (Matières en Suspension) ou encore pour nitrifier c'est-à-dire transformer en nitrates l'ammonia~ue de l'eau. Toutefois, on ne peut envisager la phase de d~nitrification car la quantité de mati~res carbonées n'est alors plus suffisante.
Conformément à l'originalité du procédé de l'invention, le r~acteur à lit fluidisé indépendant est alimenté directement par la biomasse issue du bassin de traitement biologique à boue activée. Cette solution permet de multiplier par un nombre important (couramment par 3) le volume de la liqueur mixte et donc d'augmenter l'~ge des boues en favorisant l'action des bact~ries nitrifiantes. Si, par exemple, on ajoute un réacteur lit fluidisé ~ un bassin ~ boue activée muni de deux 2~7~

zones dont 1'une anoxique et 1'autre normalement aérée (en aérobie) et si l'on effectue un recyclage de la liqueur mixte (donc des nitrates) ainsi d'ailleurs que d'une partie des boues, on peut obtenir d'excellents résultats de nitrification et dénitrification en conservant la taille d'un bassin ~ boue d~j~ installé.
Selon un autre avantage du procédé, on utilise pour la phase de d~nitrification le carbone contenu dans l'eau ~ traiter sans avoir ~ utiliser d'additif carboné
supplémentaire, comme par exemple du méthanol si l'on adoptait la solution precitée d'un r~acteur a biomasse fix~e ou encore d'un lit fluidisé apras le clarificateur.
Le choix du dispositif de fluidisation et la d~termination des divers paramètres et de leur optimum peuvent ~tre effectués selon les données connues par l'homme de l'art. Toutefois, il s'avère particulierement avantageux, quoique non limitatif, d'adopter un système à plusieurs contenants avec injection gazeuse, tel que par exemple celui faisant l'objet du brevet européen n 0 162 796 de 1984.
Le granulé solide en expansion, qui sert de support d'accrochage et de developpement des bacteries, est choi6i parmi les matériaux insolubles et inertes l'~gard de la biomasse et de préférence de densité
sup~rieure ~ 1. A titre préférentiel on peut utiliser un solide minéral poreux du type : argile, schiste, anthracite, charbon, pierre ponce etc. ... de granulomètrie comprise entre 0,3 et 3 mm.
L'implantation de la phase de ~luidisation dans un système de traitement biologique conventionnel d'eau r~siduaire peut être réalisée de plusieurs façons et l'on décrira ci-dessous quatre modes principaux d'exécution en se référant ~ la planche des dessins :
.:

~70~4~

annexes.
On a illustre très schematiquement sur ces figures 1 ~ 4 une installation classique du traitement d'eau résiduaire par voie biologique, comprenant la succession, dans le sens du traitement : d'un éventuel décanteur primaire D ; d'un bassin B à boue activée pouvant ou non être s~par~ en des zones : anoxique B1 (totalement privée d'oxygène) ou aérée B2 (en aérobie) et d'un clarificateur C. L'eau brute ~ traiter 1 suit le cheminement de gauche à droite et l'eau épuree 2 est récup~rée à la sortie du clarificateur C. La ligne en pointill~s 3 correspond à un recyclage de la liqueur mixte alors que la ligne en pointillés 4 représente le recyclage des boues d'épuration. Les boues en exc~s 5 retirées du clarificateur C sont stockées et/ou traitéeæ
de façon classique. Le dispositif ~ lit fluidisé, incorporé ~ l'installation de traitement selon l'invention, est représenté par la lettre L.
Conformément au principe illustré sur la figure 1, le syst~me ~ lit fluidis~ L est disposé en aval de la zone anoxique Bl cré~e dans la cuve de boue existante.
Il est alimenté en courant ascendant par la biomasse 6 tir~e de cette zone Bl et son effluent 7 est envoyé dans la zone en aérobie B2 du bassin à boue activée.
5elon la variante de la figure 2, la fluidisation est installée entre la zone en aérobie B2 et le clari~icateur C. L'alimentation en ascendant 8 est soutir~e de B2 alors que 1'effluent 9, qui a travers~ le lit fluidisé est envoy~ en tête du clarificateur C.
Conformément ~ un autre mode de réalisation illustré æur la figure 3, le bassin de traitement se trouve totalement en anoxie B1 alors que la ~luidisation L, installée en aval du bassin, fonctionne en aerobie, ~on effluent 9 étant envoyé en tête du clarificateur C.

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Enfin, selon la variante de la figure 4 et toujours dans le cadre de l'invention, on peut pr~voir l'installation de fluidisation L en amont du bassin de traitement à condition de la faire fonctionner en milieu anoxique alors que la cuve B2 est totalement en a~robie.
Dans ce cas, L est alimenté en ascendant par l'eau 10 sortant du d~canteur D et son effluent 11 est envoyé
dans le bassin aéré B2 a boue activée. Le recyclage de la liqueur mixte 3 est ici envoy~ ~ la base du fluidificateur L dépourvu d'oxyg~ne ou air.
Grâce au principe selon l'invention selon lequel la biomasse circule dans un fluidiseur annexé
l'installation classique, il devient possible d'effectuer la nitrification et la dénitrification d'une eau à ~purer sans avoir à augmenter considerablement le volume des cuves ~ boues activées. Le proc~dé convient donc bien pour une adaptation ~ une installation dejà
existante da~s laquelle il suffit d'intercaler un dispositif ~ lit fluidisé selon l'une ou l'autre des variantes précitées.
L'exemple de realisation décrit ci-après met bien en ~vidence cette possibilit~ d~adaptation.
on a travaill~ sur une station de traitement d'eau résiduaire correspondant ~ une ville de 10 000 habitants et traitant, pour épuration, un debit d'eau d'environ 2 500 m3tjour dont la teneur en DBO était d'environ 650 kg/jour~ La station était équipée d'un décanteur primaire, d'un bassin ~ boue activée et d'un clarificateur. Le d~canteur primaire permettait d'éliminer environ 200 kg de DBO par décantation spontan~e. Il restait donc 450 kg de DBO pour la cuve ~
boue activée existante, de volume 300 m3 environ. Ce volume contenait une liqueur mixte (ou biomasse) à
environ 3 g/l de M.E.S. soit au total 900 kg. La charge massique pour la biomasse était donc de 0,5 kg de DBO

2~7~2~

par kg de M.E.S. et par jour. Pour une telle charge la station ne pouvait effectuer la nitrification du fait de l'~ge insuffisant des boues dans le bassin.
Afin que la nitrification puisse avoir lieu dans une telle installation il faudrait ramener la charge massique ~ un maximum de 0,15, donc avoir une quantité
de biomasse de 450/0,15 soit 3 000 kg. Pour une quantit~ de M.E.S. de 3 g/l il serait donc n~cessaire de disposer d'un volume supplémentaire de 700 m3 de bassin ~ boue et donc construire plus de 2 bacs à biomasse ~quivalents au b~c existant. En outre, il serait n~cessaire de recycler la liqueur mixte dans une zone anoxique ~ creer dans les 1 000 m3 de bassin, ceci pour obtenir la dénitrification.
Conformément ~ l'invention, on a intercal~ un syst~me à lit fluidisé dans l'installation conventionnelle susvisée selon la réalisation illustrée sur la figure 2 des dessins annexées. Ce système était destiné ~ apporter une quantité de biomasse supplémentaire de 2 100 kg (3 000-900). Du fait qu'un tel systame pouvait fonctionner avec une biomasse a 12 g/l de M.E.S. (ou 12 kg/m3) il a suffit d'un volume supplémentaire à construire de 2 $00/12 soit 175 m3, au lieu des 700 m3 précités.
Les résultats des expérimentations dans l'exemple susd~crit s'analysent comme suit :
- l'eau brute à traiter contenait 69 g d'azote (NH3) pax m3 d'eau. A la sortie de la station existante, non modifiée, il restait encore 38 mg/l d'azote (NH3). Gr~ce à la mise en place du système à
lit fluidis~ selon l'invention, on a pu descendre ~ un taux de 3 mg/l d' a20te (NH3) et ~ une valeur de nitrates de 5 mg/l. La quantit& d'azote total ~ la sortie ~tait alors de 8 mg/l donc inférieure ~ la limite de 10 fix~e par la norme française N~L2.

Claims (7)

1. Procédé de purification d'eaux residuaires par boues activées en vue d'éliminer à la fois les pollutions d'origine carbonée et celles d'origine azotée selon un processus de nitrification/dénitrification, selon lequel l'eau séjourne dans un bassin de boue activée avant d'être soumise à une clarification, le procédé étant caractérisé en ce qu'une partie au moins de la liqueur mixte dudit bassin est envoyée dans un lit fluidisé séparé, garni de granule solide en expansion, avant de rejoindre la phase de clarification.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la liqueur mixte d'alimentation du lit fluidise est soutirée dans une zone anoxique du bassin de boue activée alors que l'effluent du lit est envoyé
dans une zone en aérobie dudit bassin.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la liqueur mixte d'alimentation du lit fluidisé est soutirée dans une zone en aérobie du bassin de boue activée alors que l'effluent du lit est envoyé
en tête de la clarification.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'ensemble du bassin fonctionne en anoxie alors que le lit fluidisé fonctionne en totale aerobie.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'ensemble du bassin est en aérobie alors que le lit fluidise fonctionne en anoxie.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérise en ce que l'on effectue un recyclage de la liqueur mixte depuis la sortie jusqu'a l'entrée du bassin à boue activée ou du lit fluidisé ainsi qu'un recyclage des boues depuis la sortie de la clarification jusqu'à l'entrée dudit bassin ou du lit fluidisé.
7. Installation de traitement d'eaux résiduaires par voie biologique pour la mise en oeuvre du procédé
selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, du type incluant, après un éventuel décanteur primaire (D), un bassin à boues activées (B) comprenant au moins une zone de type aérobie (B2) et/ou anaérobie (B1) ainsi qu'un clarificateur final (C), l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réacteur à lit fluidisé (L) installé entre le décanteur (D) et le clarificateur (C) et séparé desdites zones (B1, B2).
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