WO1992004285A1 - Procede et installation d'epuration biologique des eaux residuaires incluant la denitrification - Google Patents

Procede et installation d'epuration biologique des eaux residuaires incluant la denitrification Download PDF

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activated sludge
tank
aerobic
mixed liquor
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Jacques Sibony
Thierry Coulom
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    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to the field of treatment of waste and residual water, or any water containing ammoniacal nitrogen, by the biological process known as activated sludge, in fermentation tanks or basins where cultures of microorganisms, dispersed in an aqueous medium more or less rich in mineral elements, feeding on an organic or micro-organic substrate. More particularly, it relates to a process and an installation for purifying water which makes it possible to eliminate or completely reduce the total nitrogen in the water by transforming ammoniacal nitrogen into nitrate ions and then eliminating the latter, in other words according to a process. nitrification then denitrification.
  • the water after decantation, is sent to an aerated tank and then to a clarifier from where the mud or biomass is recycled at the top of the tank.
  • Aerobic heterotrophic bacteria are used which remove carbon by the use of oxygen dissolved in the aqueous medium and autotrophic bacteria to transform ammonia into nitrites and nitrates.
  • the growth rate of autotrophic bacteria is lower, they can only remain stable in activated sludge if the average age of the latter is high, generally between 5 and 30 days.
  • a fixed biomass assembly such as for example a filtration device (purification with a bed of activated carbon or other granular load, such as BIOCARBONE - registered trademark OTV - or equivalent).
  • the object of the invention is therefore, taking into account this state of the art, to propose a process making it possible to ensure under good conditions both the purification of carbonaceous pollution and the successive phases of nitrification and denitrification in a general installation.
  • the entire treatment includes, after a possible primary decantation, a stay in an activated sludge tank and a clarification, at least part of the mixed liquor from said tank is provided is sent to a separate fluidized bed, filled with an expanding solid granule, before joining the clarification phase.
  • the independent fluidized bed reactor is supplied directly by the biomass from the biological treatment tank with activated sludge.
  • This solution makes it possible to multiply by a large number (usually by 3) the volume of the mixed liquor and therefore to increase the age of the sludge by promoting the action of nitrifying bacteria.
  • a fluidized bed reactor is added to an activated sludge tank provided with two zones, one of which is anoxic and the other normally aerated (aerobically) and if the mixed liquor (therefore nitrates) is recycled as well as part of the sludge, it is possible to obtain excellent nitrification and denitrification results while keeping the size of a mud tank already installed.
  • the carbon contained in the water to be treated is used for the denitrification phase without having to use an additional carbon additive, such as methanol if the above-mentioned solution of a reactor is adopted. with fixed biomass or a fluidized bed after the clarifier.
  • the expanding solid granule which serves as a support for the attachment and development of bacteria, is chosen from materials which are insoluble and inert with respect to biomass and preferably of density greater than l.
  • a porous mineral solid of the type can be used: clay, shale, anthracite, coal, pumice, etc. ... with a particle size between 0.3 and 3 mm.
  • 1 to 4 a conventional installation for the treatment of waste water by biological means, comprising the succession, in the direction of treatment: of a possible primary settling tank D; of a basin B with activated sludge which may or may not be separated into zones: anoxic Bl
  • the raw water to be treated 1 follows the path from left to right and the purified water 2 is collected at the outlet of the clarifier C.
  • the dotted line 3 corresponds to a recycling of the mixed liquor while the dotted line 4 represents the recycling of sewage sludge.
  • the excess sludge 5 removed from the clarifier C is stored and / or treated in a conventional manner.
  • the fluidized bed device incorporated in the treatment installation according to the invention, is represented by the letter L.
  • the fluidized bed system L is arranged downstream of the anoxic zone Bl created in the existing mud tank. It is supplied with updraft by the biomass 6 drawn from this zone B1 and its effluent 7 is sent to the aerobic zone B2 of the activated sludge tank.
  • the fluidization is installed between the aerobic zone B2 and the clarifier C.
  • the ascending supply 8 is drawn off from B2 while the effluent 9, which has passed through the fluidized bed is sent to the head of the clarifier C.
  • the treatment tank is completely in anoxia Bl while the fluidization L, installed downstream of the tank, works aerobically, its effluent 9 being sent to the head clarifier C.
  • the biomass circulates in a fluidizer annexed to the conventional installation, it becomes possible to carry out the nitrification and the denitrification of a water to be purified without having to considerably increase the volume of the sludge tanks. activated.
  • the method is therefore well suited for adaptation to an already existing installation in which it suffices to insert a fluidized bed device according to one or other of the above-mentioned variants.
  • the raw water to be treated contained 60 g of nitrogen (NH 3 ) per m 3 of water.
  • nitrogen (NH 3 ) On leaving the existing station, unmodified, there was still 38 mg / 1 of nitrogen (NH 3 ). Thanks to the installation of the fluidized bed system according to the invention, it was possible to descend to a rate of 3 mg / 1 of nitrogen (NH 3 ) and to a value of nitrates of 5 mg / 1. The quantity of total nitrogen at the outlet was then 8 mg / 1, therefore less than the limit of 10 fixed by the French standard NGL2.

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Abstract

Dans le processus connu où l'eau à traiter 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.

Description

Procédé et installation d'épuration biologique des eaux rêsiduaires incluant la dénitrification
La présente invention a trait au domaine du traitement des eaux usées et rêsiduaires, ou toutes eaux contenant de l'azote ammoniacal, par le procédé biologique dit aux boues activées, dans des cuves ou bassins de fermentation où les cultures de micro-organismes, dispersées dans un milieu aqueux plus ou moins riche en éléments minéraux, se nourrissant d'un substrat organique ou micro-organique. Elle concerne plus spécialement un procédé et une installation d'épuration des eaux permettant d'éliminer ou réduire totalement l'azote total de l'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 rêsiduaires, l'eau, après décantation, est envoyée dans un bassin aéré puis dans un clarificateur d'où la boue ou biomasse est recyclée en tête du bassin. On utilise des bactéries heterotrophes aérobies qui éliminent le carbone par utilisation de l'oxygène dissous dans le milieu aqueux et des bactéries autotrophes pour transformer l'ammoniac en nitrites et nitrates. Toutefois, le taux de croissance des bactéries autotrophes 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.
Afin d'obtenir un développement normal de ces bactéries autotrophes dites nitrifiantes, il est alors nécessaire de concevoir un volume de bassin au moins trois fois plus imporrant, de façon à multiplier par le même chiffre le temps de séjour et l'âge des boues. On se heurte alors à des problèmes de coûts importants pour les installations. En outre, si le processus de nitrification a bien lieu dans ce cas, on ne peut parvenir à la fonction de dénitrification c'est-à-dire de suppression des nitrates de l'eau.
Dans le but d'obtenir successivement une nitri ication puis une dénitrification, tout en évitant la mise en oeuvre de plusieurs séries de bassins, on a préconisé l'utilisation d'un bassin unique muni de sections ou zones alternativement aérées (avec une teneur maximale en oxygène dissous de 1,5 p.p.m. maximum) et non aérées ou à la limite de 1'anaerobiose (brevet français publié n° 2 372 121) . Malgré les perfectionnements apportés, 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 à zones multiples alternées.
Afin de pouvoir s'affranchir de la nécessité d'utiliser un bassin à boue activée de très grand volume pour obtenir un temps de séjour prolongé et un âge des boues supérieur à 5 jours en vue d'une possible nitrification puis dénitrification, on peut penser à adjoindre au système conventionnel précité d'épuration, un ensemble à biomasse fixé comme par exemple un dispositif de filtration (épuration à lit de charbon actif ou autre charge granulaire type BIOCARBONE - marque déposée 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 à boue activée, on obtient une nitrification/dénitrification mais le bassin lui-même n'est plus véritablement opérationnel ; enfin si le dispositif est placé entre le bassin à boue et le clarificateur, la biomasse introduite dans le lit fixe provoque rapidement des phénomènes de colmatage. 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'épuration des pollutions carbonées et les phases successives de nitrification et dénitrification dans une installation générale de traitement qui ne nécessite pas d'importantes modifications du volume du bassin à boue activée et qui peut donc être adaptée 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 séjour 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'ammoniaque de l'eau. Toutefois, on ne peut envisager la phase de dénitrification car la quantité de matières carbonées n'est alors plus suffisante.
Conformément à l'originalité du procédé de l'invention, le réacteur 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'âge des boues en favorisant l'action des bactéries nitrifiantes. Si, par exemple, on ajoute un réacteur à lit fluidisé à un bassin à boue activée muni de deux zones dont l'une anoxique et l'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 à boue déjà installé.
Selon un autre avantage du procédé, on utilise pour la phase de dénitrification le carbone contenu dans l'eau à traiter sans avoir à utiliser d'additif carboné supplémentaire, comme par exemple du méthanol si l'on adoptait la solution précitée d'un réacteur à biomasse fixée ou encore d'un lit fluidisé après le clarificateur.
Le choix du dispositif de fluidisation et la détermination des divers paramètres et de leur optimum peuvent être effectués selon les données connues par l'homme de l'art. Toutefois, il s'avère particulièrement 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 développement des bactéries, est choisi parmi les matériaux insolubles et inertes à l'égard de la biomasse et de préférence de densité supérieure a l. 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 fluidisation dans un système de traitement biologique conventionnel d'eau résiduaire peut être réalisée de plusieurs façons et l'on décrira ci-dessous quatre modes principaux d'exécution en se référant à la planche des dessins annexes.
On a illustré très schématiquement sur ces figures
1 à 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 séparé en des zones : anoxique Bl
(totalement privée d'oxygène) ou aérée B2 (en aérobie) et d'un clarificateur C. L'eau brute à traiter 1 suit le cheminement de gauche à droite et l'eau épurée 2 est récupérée à la sortie du clarificateur C. La ligne en pointillés 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 excès 5 retirées du clarificateur C sont stockées et/ou traitées de façon classique. Le dispositif à lit fluidisé, incorporé à l'installation de traitement selon l'invention, est représenté par la lettre L.
Conformément au principe illustré sur la figure 1, le système à lit fluidisé L est disposé en aval de la zone anoxique Bl créée dans la cuve de boue existante. Il est alimenté en courant ascendant par la biomasse 6 tirée de cette zone Bl et son effluent 7 est envoyé dans la zone en aérobie B2 du bassin à boue activée. Selon la variante de la figure 2, la fluidisation est installée entre la zone en aérobie B2 et le clarificateur C. L'alimentation en ascendant 8 est soutirée de B2 alors que l'effluent 9, qui a traversé le lit fluidisé est envoyé en tête du clarificateur C. Conformément à un autre mode de réalisation illustré sur la figure 3, le bassin de traitement se trouve totalement en anoxie Bl alors que la fluidisation L, installée en aval du bassin, fonctionne en aérobie, son effluent 9 étant envoyé en tête du clarificateur C. Enfin, selon la variante de la figure 4 et toujours dans le cadre de l'invention, on peut prévoir 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 aérobie. Dans ce cas, L est alimenté en ascendant par l'eau 10 sortant du décanteur D et son effluent 11 est envoyé dans le bassin aéré B2 à boue activée. Le recyclage de la liqueur mixte 3 est ici envoyé à la base du fluidificateur L dépourvu d'oxygène ou air.
Grâce au principe selon l'invention selon lequel la biomasse circule dans un fluidiseur annexé à l'installation classique, il devient possible d'effectuer la nitrification et la dénitrification d'une eau à épurer sans avoir à augmenter considérablement le volume des cuves à boues activées. Le procédé convient donc bien pour une adaptation à une installation déjà existante dans laquelle il suffit d'intercaler un dispositif à lit fluidisé selon l'une ou l'autre des variantes précitées.
L'exemple de réalisation décrit ci-après met bien en évidence cette possibilité d'adaptation.
On a travaillé sur une station de traitement d'eau résiduaire correspondant à une ville de 10 000 habitants et traitant, pour épuration, un débit d'eau d'environ 2 500 m3/jour dont la teneur en DBO était d'environ 650 kg/jour. La station était équipée d'un décanteur primaire, d'un bassin à boue activée et d'un clarificateur. Le décanteur primaire permettait d'éliminer environ 200 kg de DBO par décantation spontanée. Il restait donc 450 kg de DBO pour la cuve à boue activée existante, de volume 300 m3 environ. Ce volume contenait une liqueur mixte (ou biomasse) à environ 3 g/1 de M.E.S. soit au total 900 kg. La charge massique pour la biomasse était donc de 0,5 kg de DBO par kg de M.E.S. et par jour. Pour une telle charge la station ne pouvait effectuer la nitri ication du fait de l'âge insuffisant des boues dans le bassin.
Afin que la nitrification puisse avoir lieu dans une telle installation il faudrait ramener la charge massique à un maximum de 0,15, donc avoir une quantité de biomasse de 450/0,15 soit 3 000 kg. Pour une quantité de M.E.S. de 3 g/1 il serait donc nécessaire de disposer d'un volume supplémentaire de 700 m3 de bassin à boue et donc construire plus de 2 bacs à biomasse équivalents au bac existant. En outre, il serait nécessaire de recycler la liqueur mixte dans une zone anoxique à créer dans les 1 000 m3 de bassin, ceci pour obtenir la dénitrification. Conformément à l'invention, on a intercalé un système à lit fluidisé dans l'installation conventionnelle susvisée selon la réalisation illustrée sur la figure 2 des dessins annexées. Ce système était destiné à apporter une quantité de biomasse supplémentaire de 2 100 kg (3 000-900) . Du fait qu'un tel système pouvait fonctionner avec une biomasse à 12 g/1 de M.E.S. (ou 12 kg/m3) il a suffit d'un volume supplémentaire à construire de 2 100/12 soit 175 m3, au lieu des 700 m3 précités. Les résultats des expérimentations dans l'exemple susdécrit s'analysent comme suit :
- l'eau brute à traiter contenait 60 g d'azote (NH3) par m3 d'eau. A la sortie de la station existante, non modifiée, il restait encore 38 mg/1 d'azote (NH3) . Grâce à la mise en place du système à lit fluidisé selon l'invention, on a pu descendre à un taux de 3 mg/1 d'azote (NH3) et à une valeur de nitrates de 5 mg/1. La quantité d'azote total à la sortie était alors de 8 mg/1 donc inférieure à la limite de 10 fixée par la norme française NGL2.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Procédé de purification d'eaux rêsiduaires 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/ énitrification, 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 granulé 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 fluidisé 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 aérobie.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble du bassin est en aérobie alors que le lit fluidisé fonctionne en anoxie.
6. Procédé selon 1'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'on effectue un recyclage de la liqueur mixte depuis la sortie jusqu'à 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 rêsiduaires par voie biologique pour la mise en oeuvre du procédé selon 1'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 anaerobie (Bi) 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 (B^, B2) .
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