CH622756A5 - Process for simultaneous removal of carbonaceous and nitrogenous pollution in aqueous effluents - Google Patents

Description

La présente invention a trait au domaine du traitement des eaux usées et résiduaires par le procédé biologique dit aux boues activées dans des cuves ou bassins de fermentation où des cultures de micro-organismes, dispersées dans un milieu aqueux plus ou moins riche en éléments minéraux, se nourrissent d'un substrat organique ou micro-organique. Elle concerne plus spécialement un procédé d'épuration des eaux permettant d'éliminer simultanément les pollutions d'origine carbonée et celles d'origine azotée dans le même bassin de traitement.

Dans le but d'éliminer les pollutions d'origine carbonée et azotée dans les eaux résiduaires, on utilise actuellement des séries de bassins distincts de traitement, séparés par des décanteurs intermédiaires.

Dans une première série de bassins, on utilise des bactéries hétérotrophes aérobies qui éliminent le carbone par utilisation de l'oxygène dissous dans le milieu aqueux, et des bactéries auto-trophes éliminant l'ammoniac en le transformant en nitrites et nitrates. Les bactéries autotrophes sont minoritaires par rapport aux hétérotrophes et, leur taux de croissance étant plus faible,

elles ne peuvent se maintenir de façon stable dans la boue activée que si l'âge moyen de cette dernière est élevé (généralement entre 5 et 30 jours). Au cours de ce traitement, il faut éviter autant que possible le mélange de l'eau déjà épurée avec celle brute, admise dans le bassin. Le taux d'oxygène dissous est généralement voisin de 1 ppm (partie par million).

Dans une seconde série de bassins, on emploie des bactéries hétérotrophes vivant en milieu anaérobie et qui sont capables d'assimiler le carbone en utilisant l'oxygène des nitrates, ce qui permet ainsi de dénitrifier les matières polluantes. Le taux d'oxygène dissous doit ici être très faible, (inférieur à 0,2 ppm) pour ne pas inactiver les enzymes dénitrifiantes. Le taux de dénitrification est fonction du temps de séjour dans les zones peu aérées ainsi que du rapport C/N du milieu; lorsque ce dernier atteint 7 à 10, la dénitrification est relativement rapide.

La technique connue précitée nécessite la construction, la mise en œuvre et la surveillance d'importantes installations dont les coûts et les frais de maintenance sont élevés. Il serait donc avantageux, à priori, de rechercher à éliminer dans un même bassin de traitement l'ensemble des pollutions carbonées et azotées, sans utilisation de décanteurs intermédiaires. Bien entendu, un tel procédé laisse supposer que l'on puisse maintenir en activité, dans ce même bassin, une culture mixte des trois catégories précitées de bactéries aérobies ou anaérobies. Or, cela est à priori contradictoire compte tenu des taux différents de développement de ces diverses bactéries.

L'invention apporte une solution à ce problème : elle se caractérise par un procédé d'épuration des eaux par boues activées avec élimination simultanée des pollutions d'origine carbonée et azotée dans le même bassin de traitement, en présence d'une culture mixte de bactéries dénitrifiantes et de bactéries nitrifiantes, le procédé étant caractérisé en ce qu'on limite l'aération de façon à avoir une teneur maximale en oxygène dissous, dans le bassin, de 1,5 ppm et en ce que l'on fait alterner plusieurs fois des zones normalement aérées et des zones à la limite de l'anaérobiose.

Appliqué à un type de bassin de traitement intégral, le procédé se caractérise en ce que les turbines d'aération de ce bassin sont disposées et régulées en régime de façon telle que les zones aérées soient séparées par des zones intermédiaires simplement brassées mais non oxygénées.

Une autre caractéristique du procédé est qu'il est mis en œuvre dans un bassin longiforme avec gradient de concentration en boues entre l'entrée et la sortie, où l'on crée une série de sections avec aération et de sections sans aération avec brassage lent, l'alimentation en eau à traiter s'effectuant en plusieurs points dans les sections non aérées et/ou dans les sections aérées, pourvu que la dernière section, qui précède le décanteur, soit une zone aérée sans admission d'eau brute.

Le procédé est encore caractérisé en ce que la communication entre les diverses sections du bassin longiforme s'effectue par surverse ou par sous-verse.

Ce problème de l'élimination simultanée de l'azote et du carbone dans un seul bassin de traitement trouve une solution avantageuse par l'invention qui propose un procédé simple : les différents facteurs de développement des bactéries de plusieurs types sont optimisés de façon à obtenir dans le minimum de temps une répartition rationnelle des activités. Il a en effet été trouvé, à la suite d'une série d'expériences de la titulaire, que le temps nécessaire, tN pour éliminer l'ammoniac contenu dans une quantité donnée d'eau pouvait être nettement inférieur au temps de séjour ts normalement imposé, dans les bassins, à l'eau à traiter du fait de la nécessité d'avoir un âge minimum de boue, et que cette différence (ts-tN) pouvait être avantageusement mise à profit pour réduire les nitrates formés par les bactéries autotrophes. Il a, en outre, été constaté que, dans les flocs de boues activées en suspension, le taux de bactéries dénitrifiantes en activité variait en sens inverse du taux d'oxygène dissous dans le liquide interstitiel; en limitant donc ce taux à des valeurs très faibles, de l'ordre par exemple de 1 ppm, on peut obtenir simultanément la nitrification et la dénitrification de l'azote ammoniacal, respectivement à la périphérie puis à l'intérieur des flocs d'une culture mixte de bactéries.

Compte tenu de ces considérations, le procédé selon l'invention consiste, dans sa forme générale, d'une part, à limiter l'aération de façon à avoir une teneur maximale en oxygène dissous, dans le bassin de traitement, de 1,5 ppm environ et, d'autre part, à faire alterner plusieurs fois des zones normalement aérées et des zones à la limite de l'anaérobiose.

En pratique, un tel procédé peut être mis en œuvre de diverses façons selon le type de bassin de traitement.

Selon un premier mode de réalisation où le bassin est du type à mélange intégral, c'est-à-dire où les particules d'eau déjà épurée sont mélangées avec l'eau brute admise dans le bassin, sous agitation et/ou aération on calcule l'emplacement des aérateurs (par exemple par turbines ou analogues) de façon à séparer les zones aérées par des zones intermédiaires brassées mais non

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oxygénées. En outre, on effectue une régulation du régime des aérateurs de manière à réaliser une alternance de périodes où le taux d'oxygène dissous sera de l'ordre de 0,8 à 1,5 ppm et de périodes où l'on ne fournira que l'énergie minimum de brassage, nécessaire pour maintenir la culture de bactéries en suspension. s Par ailleurs, il est judicieux, dans ce cas d'application, de mettre en œuvre des dispositifs de brassage ou d'aération, non surdimen-sionnés et qui favorisent la formation de flocs de grande taille pour les raisons ci-dessus exposées. Enfin, si la dénitrification reste insuffisante dans la cuve d'aération, il est opportun de io sélectionner comme décanteur secondaire un appareil de type lamellaire, à faible temps de séjour du milieu aqueux, de façon à éviter les remontées de boues.

Selon un autre mode de réalisation préférentiel et particulièrement avantageux, les opérations de nitrification / dénitrification 15 sont effectuées dans un bassin longiforme à sections multiples du type piston c'est-à-dire avec gradient de concentration en boues entre l'entrée et la sortie. Ce type de bassin permet de limiter le mélange de l'eau épurée avec l'eau admise et d'avoir ainsi en sortie une teneur en azote voisine de zéro. Un tel perfectionne- 20 ment comporte deux caractéristiques essentielles :

- une alimentation échelonnée en eau brute à divers points du bassin ce qui permet, notamment, de fractionner en plusieurs intervalles, le long du parcours, le temps tN nécessaire pour l'élimination de l'ammoniac et d'assurer une meilleure répartition 25 des nitrates libérés tout le long du bassin et d'améliorer la vitesse d'élimination de ces nitrates grâce à l'augmentation du taux de carbone aux divers points échelonnés d'admission de l'eau brute;

- un partage de l'intervalle séparant deux points d'injection successifs d'eau brute entre au moins une zone peu aérée et au 30 moins une zone normalement aérée.

En pratique, le bassin longiforme comporte une série de sections qui sont maintenues à un niveau donné, constant ou non, de liquide à traiter par surverse ou sous-verse. Selon un premier mode de traitement, on fait alterner une section aérée et une 35 section non aérée, l'admission en eau brute s'effectuant soit dans les zones non aérées (donc une section sur deux) soit dans chacune des sections successives du bassin. Selon une variante, l'alternance des sections précitées n'est plus régulière : par exemple on prévoit en zones aérées la première section puis la troisième 40

puis la sixième, les sections intermédiaires étant non aérées. Dans tous les cas ci-dessus la dernière zone, qui précède le décanteur secondaire, doit être une section aérée, sans admission d'eau brute, de façon à éviter les remontées de boues dans le décanteur. L'amplitude du taux d'oxygène dissous, dans les sections aérées, est maintenue entre 0,5 et 1,5 ppm; on peut en effet faire agir simultanément, à l'intérieur de cette fourchette, des bactéries nitrifiantes à l'extérieur des flocs et des bactéries dénitrifiantes à l'intérieur de ceux-ci. Par ailleurs, on entend par sections non aérées des zones où il se produit un simple brassage, par exemple du fait de la mise en place de dômes poreux alimentés par une ' faible quantité d'air juste nécessaire pour mettre en circulation la culture de bactéries mais insuffisante pour assurer l'oxygénation. Enfin, le profil de l'admission de l'eau brute dans les différentes sections est, bien entendu, fonction de la DBO (demande biologique en oxygène) désirée en sortie. Dans la majorité des cas, il est avantageux de sélectionner des débits d'alimentation en eau dégressifs depuis la première section du bassin jusqu'à la dernière de façon à obtenir un profil d'admission sensiblement hyperbolique.

En travaillant dans un bassin longiforme aux caractéristiques précitées, avec une charge massique comprise entre 0,10 et 0,15 kg de. DBO / kg de matières en suspension et par jour, on a pu obtenir une très bonne épuration des eaux brutes en éliminant simultanément la DBO, avec un rendement supérieur à 95%, et l'azote, avec un rendement supérieur à 90% pour l'azote Kdjedhal et de l'ordre de 80%, selon le rapport carbone/azote et la température, pour l'azote global (incluant nitrites et nitrates).

Le volume des sections anaérobies représentait au plus 30% du volume total du bassin car l'action dénitrifiante se poursuit en partie dans les sections aérobies si la teneur en oxygène dissous y est limitée par un dispositif de régulation. L'oxygène libéré par la décomposition des ions NO3 ~ est réutilisé immédiatement et avec un excellent rendement par les bactéries.

Le dispositif de régulation et une répartition judicieuse des débits d'alimentation permettent d'obtenir une bonne élimination des nitrates tout le long du bassin sans avoir besoin de recourir à des circuits supplémentaires de recirculation de la boue activée.

De ce fait, le procédé est économique sur le plan énergétique puisqu'on minimise les besoins en air et en énergie de pompage.

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1. Procédé d'épuration des eaux par boues activées avec élimination simultanée des pollutions d'origine carbonée et azotée dans le même bassin de traitement, en présence d'une culture mixte de bactéries nitrifiantes et de bactéries dénitrifiantes le procédé étant caractérisé en ce que l'on limite l'aération de façon à avoir une teneur maximale en oxygène dissous, dans le bassin, de 1,5 ppm et en ce que l'on fait alterner plusieurs fois des zones normalement aérées et des zones à la limite de l'anaérobiose.

2. Procédé selon la revendication 1 pour l'épuration des eaux dans un bassin de traitement du type intégral, caractérisé en ce que les turbines d'aération de ce bassin sont disposées et régulées en régime de façon telle que les zones aérées soient séparées par des zones intermédiaires simplement brassées mais non oxygénées.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre dans un bassin longiforme avec gradient de concentration en boues entre l'entrée et la sortie, où l'on crée une série de sections avec aération et de sections sans aération avec brassage lent, l'alimentation en eau à traiter s'effectuant en plusieurs points dans les sections non aérées et/ou dans les sections aérées pourvu que la dernière section, qui précède le décanteur, soit une zone aérée sans admission d'eau brute.

4. Procédé selon la revendication 1 et 3, caractérisé en ce que la communication entre les diverses sections du bassin longiforme s'effectue par surverse ou par sous-verse.