WO2003064334A1 - Procede et dispositif de traitement biologique d'effluents aqueux, en vue de leur epuration - Google Patents

Procede et dispositif de traitement biologique d'effluents aqueux, en vue de leur epuration Download PDF

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WO2003064334A1
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aeration tank
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sludge
activated sludge
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Definitions

  • the present invention relates to the biological treatment of aqueous effluents, such as in particular domestic waste water and industrial waste water, with a view to their purification.
  • the invention relates to an improved method and device for the biological treatment of such effluents using cultures free of microorganisms according to the activated sludge technique, in order to eliminate the carbon pollution contained in the effluents to be treated.
  • the devices implementing these conventional purification processes generally require a chain of specialized apparatuses which successively screen, desander, degrease and primary decantation of the effluent to be treated, these apparatuses being positioned upstream. of the biological treatment stage proper by activated sludge.
  • the present invention provides a process for the biological treatment of effluents loaded with impurities of urban or industrial origin, characterized in that it implements a single aeration tank with high mass load in which the raw, or mechanically pretreated, effluent is mixed, without prior settling, with a free microbial culture of the activated sludge type, evolving in poorly aerated medium, of the order of 0.1 to 0.2 kg O 2 / kg BOD5 eliminated, the organic load applied being equal or greater at least 2 kgDCO / kgMS.j, preferably equal to or greater than 4 kgDCO / kgMS.j, the hydraulic residence time of the raw effluent in the single aeration tank being between 30 and 90 minutes, preferably between 40 and 60 minutes.
  • the assembly which, in an installation according to the prior art, consists of the primary settling tank and the aeration tank is replaced, according to the invention, by a single aeration tank with high load mass.
  • the mass load is defined by the ratio between the flow of daily pollution expressed as COD or BOD5 and the quantity of dry matter present in the aeration tank.
  • the value of this mass load should be established beyond 1.5 kg DBO5 / kgMS / d., And this with a concentration of solid matter between 0 , 5 and 2.5gMS / l, which leads to applied volume loads greater than 3 kgDBO5 / m 3 / d.
  • the volume of the single aeration tank is reduced to a minimum by a factor of 10 compared to the activated sludge treatment tank of conventional installations with prolonged aeration and low load applied.
  • the process which is the subject of the invention as defined above is based on biosorption: in a very heavy aeration tank, part of the dissolved carbon pollution, almost all of the colloidal and particulate fraction being biosorbed by the flock of activated sludge.
  • the purifying action is based essentially on biosorption phenomena and not on oxidative or fermentative biological phenomena and that the process makes it possible to avoid primary decantation and the establishment of sand removal and degreasing helps maintain a high content of colloidal and particulate matter in the effluent to be treated, compounds promoting biosorption.
  • Biosorption can be described as a physicochemical phenomenon where the elimination of pollution corresponds to a rapid transfer of material from the liquid phase to the flock, and this by adsorption, absorption and trapping.
  • the microbial population does not have the time to hydrolyze and metabolize the adsorbed pollution.
  • the method according to the invention as defined above is based on the trapping of pollution by the adsorbent "Activated Sludge” and this without biological degradation by oxidative or fermentation, the activated sludge implemented evolving by permanence with high applied mass load, while maintaining low ventilation to guarantee the system's mixing energy and sufficient energy for biosorption.
  • the biosorption phenomenon taking place in the process which is the subject of the present invention is characterized by kinetics of reactions superior (factor 2 to 3) to the biological reactions observed in conventional activated sludge, and this with a low air intake (respectively 0, 1 to 0.2kg O / kg BOD5 eliminated versus 0.6kg O 2 / kg BOD5 eliminated).
  • the orders of magnitude are as follows: - 15 minutes for the biosorption according to the process which is the subject of the invention.
  • the purification yields obtained are low (around 50% for BOD5), while the process which is the subject of the present invention makes it possible to obtain average abatements of the order of 75% for BOD5 and 80 % for the
  • the process which is the subject of the invention shows a very high reactivity to variations in the parameters of the raw water. Given the large pollution ratio on the biomass present and consequently the low concentration of the latter (1 to 2g / l MES), a significant variation in the characteristics of the raw water very quickly causes an imbalance in the system.
  • the very heavy load process has only a low buffering capacity.
  • a regulation system is provided, by modulating the rate of recirculation of the mixed liquor in the single aeration tank, this regulation being carried out so as to keep the solid matter (suspended matter + biomass) within a range defined, preferably between approximately 1.0 and 1.5 g / l, and is ensured by the continuous measurement of the turbidity of the activated sludge or of the mixed liquor, this measurement being coupled with a servo-control of the flow rate of recirculation or extraction of said mixed liquor.
  • the invention it is also possible to provide for regulation of the supply of air to the single basin, this in order to maintain a low set point of dissolved oxygen, for example between 0.1 and 1 mg / 1.
  • the excess dissolved oxygen can be used for the oxidation of organic material which is very easily assimilated, which must be avoided in the case of the process according to the invention in which it is sought to promote the phenomenon of biosorption.
  • the invention also relates to an installation for implementing the method defined above.
  • This installation is characterized in that it comprises:
  • this reactor which constitutes said single aeration tank comprising means for supplying air continuously or intermittently with associated mixing,
  • an intermediate clarifier performing the separation of the sludge from the depolluted effluent, and - a sludge recirculation circuit from the intermediate clarifier to the free culture reactor, the rate of recirculation (or extraction) being controlled to measure the turbidity in the reactor.
  • FIG. 1 schematically represents an installation according to the present invention
  • FIG. 2 is a curve illustrating the variation of the biosorption constant as a function of the charge applied in an example of implementation of the method of the invention.
  • the device according to the invention comprises a reactor, or single aeration tank, with activated sludge under heavy load, designated by the reference 1, this reactor comprising means 2 for supplying air, continuously or intermittently, the stirring energy being supplied mechanically, with a control system for the dissolved oxygen content, and a probe 3 for measuring turbidity.
  • an intermediate settling tank 4 is associated with the reactor 1 so as to separate the sludge from the depolluted effluent.
  • the installation further comprises a circuit 5 for sludge recirculation from the intermediate settling tank 4 to the free culture reactor 1, the flow rate of the sludge recirculation (or the extraction of the latter from the intermediate settling tank 4) being controlled by the turbidity measurement provided by the probe 3.
  • the device can include a second stage 6 which can be:
  • a denitrification reactor with fixed biomass with fixed or mobile support (depending on the constraints of rejection of suspended solids), receiving the intermediate effluent coming from the nitrification reactor.
  • the assimilable carbon required can be supplied externally (in the form of methanol for example), or come from an anaerobic digestion of the sludge extracted from the reactor, the latter being highly fermentable; • an anaerobic digestion reactor or any other sludge hydrolysis system to liquefy the fermentable fraction of this sludge and supply the carbon easily assimilated necessary for the denitrification process or a methanisation process; the remaining sludges rendered inert after hydrolysis being separated by any suitable process such as centrifugation, microfiltration; • an anaerobic digestion reactor to produce biogas and thus provide part of the energy necessary for the operation of the process.
  • the reactor 1 operating with activated sludge at very high load is produced in the form of an aeration tank, known, in terms of chemical engineering, under the name of "integral mixture bioreactor" which ensures mixing. efficient with low energy consumption; since the characteristics of the water are the same in all points of the basin, the phenomenon of biosorption will be favored.
  • This type of tank has the disadvantage of being sensitive to variations in flow rate and characteristics of the liquid to be treated, phenomena very frequently observed in the field of waste water treatment. Since, according to the invention, there is provision for a control of the oxygen content, said sensitivity to the flow rate and to the pollution flow will have no repercussion on the treatment of the effluent.
  • the invention provides a control system, by modulating the recirculation rate of the mixed liquor
  • circuit 5 to keep the solids (MES + biomass) within the defined range, preferably around 1.0 - 1.5g / l, as specified above.
  • a continuous turbidity measurement is carried out, using the probe turbidimeter 3, or any other suitable sensor known to those skilled in the art, for example: particle counter, spectrophotometer, ..., this measure being coupled to a device for controlling the recirculation flow rate or extracting the mixed liquor.
  • this measurement makes it possible to globally characterize the content of suspended solids in the medium, thus describing the operating conditions of the installation. The practical benefit of using this parameter for the regulation of purification processes using activated sludge has already been stressed.
  • FR-A-2 784 093 describes an automated recirculation management process developed with the aim of controlling the residence time of sludge in secondary clarification in activated sludge processes and this process uses a signal representing the concentration of sludge obtained from a sensor positioned in the recirculation line. Furthermore, FR-A-2 795 713 uses the turbidity measurement to characterize the pollutant load contained in the raw water, this measurement being associated with colloidal and particulate pollution.
  • the signal obtained must represent the concentration of solid matter, the phenomenon of biosorption not taking place only with microorganisms but also with the suspended matter present in the sludge.
  • the sensor such as 3 must be positioned either directly in the biological reactor 1 as illustrated in FIG. 1, or at the outlet of said reactor, on the water line supplying the associated clarifier 4 The positioning will be done according to the rules of the art known to those skilled in the art according to the type of sensor chosen.
  • the regulation implemented according to the invention may consist in defining four intervals of concentrations of suspended solids MS, in the single aeration tank 1. Each interval corresponds to a suitable operation, ie of the pump for recirculating the mixed liquors of the clarifier 4 to the aeration tank 1, or from the sludge extraction pump.
  • the set points are as follows: target concentration 1.5 g / 1, concentration deviation ⁇ 0.3g / l, floor concentration lg / 1.
  • concentration deviation ⁇ 0.3g / l
  • This regulation based on the generation of two different setpoints for air flow according to the concentration of dissolved oxygen in the aeration tank 1 and the implementation of which is well known to those skilled in the art, will serve to constantly maintain a residual dissolved oxygen between 0.1 and 1 mg / 1.
  • the regulation can also be obtained by stopping the ventilation by supplying the stirring energy mechanically.
  • the recirculation or extraction rate of the mixed liquor to maintain a constant content of solid matter in the biological reactor 1
  • the control of the means of supply in air 2 to maintain a low residual dissolved oxygen in the biological reactor.
  • the association of a very high-load activated sludge process with an optimized control system allows not only to obtain a high level of treatment of carbon pollution in a compact reactor associated with a clarifier which is also compact, but above all to control the process and its performance over time, even during periods of hydraulic overload.
  • the example of implementation indicated in the table below shows the resistance to leaching, in an installation according to the invention operating under heavy load, on the one hand without servo-control and, on the other hand with servo-control, and the FIG. 2 represents the curve of the variation of the constant Ao of biosorption as a function of the applied mass load Cma, expressed in total COD. Examination of this curve shows that the higher the applied load, the higher the biosorption constant.

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Abstract

Procédé de traitement par voie biologique des effluents chargés d'impuretés d'origine urbaine ou industrielle, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un bassin unique d'aération (1) à forte charge massique dans lequel l'effluent brut, ou mécaniquement prétraité, est mélangé, sans décantation préalable, à une culture microbienne libre du type boue activée, évoluant en milieu faiblement aéré, de l'ordre de 0,1 à 0,2 kg O2/kg DBO5 éliminée, la charge organique appliquée étant égale ou supérieure à au moins 2 kgDCO/kgMS.j, de préférence égale ou supérieure à 4 kgDCO/kgMS.j, le temps de séjour hydraulique de l'effluent brut dans le bassin unique d'aération étant compris entre 30 et 90 minutes, de préférence entre 40 et 60 minutes.

Description

Procédé et dispositif de traitement biologique d'effluents aqueux, en vue de leur épuration
La présente invention concerne le traitement biologique d'effluents aqueux, tels que notamment les eaux usées domestiques et les eaux usées industrielles, en vue de leur épuration.
Plus précisément, l'invention concerne un procédé et un dispositif perfectionnés de traitement biologique de tels effluents mettant en oeuvre des cultures libres de micro-organismes selon la technique des boues activées, afin d'éliminer la pollution carbonée contenue dans les effluents à traiter.
Parmi les procédés connus d'épuration mettant en œuvre des cultures libres de micro-organismes, ceux utilisant des boues activées dites « faibles charges » sont de plus en plus fréquemment mis en œuvre.
Ces procédés de type « extensif» ont pour caractéristique de travailler à faibles charges massiques et volumiques appliquées, avec des temps de séjour hydraulique élevés et une boue moyennement décantable, ce qui conduit à la réalisation d'ouvrages de dimensions importantes, aussi bien au niveau du bassin d'aération qu'au niveau du système de clarification.
En outre, les dispositifs mettant en œuvre ces procédés classiques d'épuration nécessitent généralement une chaîne d'appareils spécialisés qui assurent successivement le dégrillage, le dessablage, le dégraissage et la décantation primaire de l'effluent à traiter, ces appareils étant positionnés en amont de l'étape de traitement biologique proprement dit par boues activées.
On comprend que les installations selon cet état antérieur de l'art sont coûteuses, tant en ce qui concerne leur construction que leur exploitation et leur maintenance.
Afin de pallier ces inconvénients, la présente invention apporte un procédé de traitement par voie biologique des effluents chargés d'impuretés d'origine urbaine ou industrielle, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un bassin unique d'aération à forte charge massique dans lequel l'effluent brut, ou mécaniquement prétraité, est mélangé, sans décantation préalable, à une culture microbienne libre du type boue activée, évoluant en milieu faiblement aéré, de l'ordre de 0,1 à 0,2 kg O2/kg DBO5 éliminée, la charge organique appliquée étant égale ou supérieure à au moins 2 kgDCO/kgMS.j, de préférence égale ou supérieure à 4 kgDCO/kgMS.j, le temps de séjour hydraulique de l'effluent brut dans le bassin unique d'aération étant compris entre 30 et 90 minutes, de préférence entre 40 et 60 minutes.
On comprend que l'ensemble qui, dans une installation selon l'état antérieur de la technique, est constitué par le décanteur primaire et le bassin d'aération est remplacé, selon l'invention, par un unique bassin d'aération à forte charge massique. On sait que la charge massique est définie par le rapport entre le flux de pollution journalière exprimée en DCO ou en DBO5 et la quantité de matières sèches présente dans le bassin d'aération. Pour la mise en œuvre du procédé objet de l'invention, il convient que la valeur de cette charge massique s'établisse au-delà de 1,5 kgDBO5/kgMS/j., et ce avec une concentration en matières solides comprise entre 0,5 et 2,5gMS/l, ce qui conduit à des charges volumiques appliquées supérieures à 3 kgDBO5/m3/j.
Grâce à ces caractéristiques selon l'invention, le volume du bassin unique d'aération est réduit au minimum selon un facteur 10 par rapport au bassin de traitement à boues activées des installations classiques en aération prolongée et faible charge appliquée.
Le procédé objet de l'invention tel que défini ci-dessus est basé sur la biosorption: dans un bassin d'aération à très forte charge, une partie de la pollution carbonée dissoute, la quasi-totalité de la fraction colloïdale et particulaire étant biosorbées par le floc de la boue activée. En effet, le fait que, selon l'invention, l'action épuratoire soit basée essentiellement sur des phénomènes de biosorption et non sur des phénomènes biologiques oxydatifs ou fermentaires et que le procédé permette d'éviter une décantation primaire et la mise en place de dessablage et de dégraissage permet de maintenir une teneur élevée en matières colloïdales et particulaires dans l'effluent à traiter, composés favorisant la biosorption. La biosorption peut être décrite comme un phénomène physico-chimique où l'élimination de la pollution correspond à un transfert de matière rapide de la phase liquide vers le floc, et ce par adsorption, absorption et piégeage.
Trois mécanismes se produisent immédiatement lorsque l'effluent entre au contact de la boue (voir Eikelboom-1982 in Bulking of Activated Sludge: Préventive and remédiai Methods, Ellis Horward Publ., Chichester, 90-105 "Biosorption and prévention of bulking sludge by means of a high floc loading") et se superposent dans le phénomène global dénommé "biosorption", à savoir :
1- La rétention des produits colloïdaux par adsorption physico-chimique sur le floc ("fixation de surface"), ce qui conduit à un alourdissement de celui-ci;
2- _ La rétention des matières en suspension par imbrication dans le floc biologique;
3- L'absorption extra- et intracellulaire des matières organiques solubles par les microorganismes.
Aux temps de séjour hydrauliques très courts imposés par la présente invention (entre 30 et 90 minutes), la population microbienne n'a pas le temps d'hydrolyser et de métaboliser la pollution adsorbée.
L'absorption reflète au contraire le comportement bactérien et sa capacité à accumuler des réserves nutritives : le "stockage" intracellulaire pour oxydation ultérieure peut correspondre à 50% de la masse du microorganisme (voir Ekama G.A. et al., 1979, journal WPCF, 51, 3, 534-556 « Dynamic behavior of the activated sludge process »).
Dans le procédé selon la présente l'invention, cette absorption n'est rendue possible que si les bactéries sont maintenues en situation de « stress », ce qui suppose un apport minimal en énergie oxydative. Par conséquent, selon une caractéristique du procédé objet de l'invention, ce dernier est piloté à la limite de l'anaérobiose, en régulant la teneur en oxygène dissous à des valeurs comprises entre 0,1 et lg/1.
On comprend que le procédé selon l'invention tel que défini ci-dessus est basé sur le piégeage de la pollution par l'adsorbant « Boue Activée » et ce sans dégradation biologique par voie oxydative ou fermentaire, la boue activée mise en œuvre évoluant en permanence à forte charge massique appliquée, tout en maintenant une faible aération pour garantir l'énergie de brassage au système et l'énergie suffisante à la biosorption.
Des niveaux élevés en charge appliquée favorisent les phénomènes d'adsorption et d'absorption, tout en conservant la biomasse en état de maintenance avec une vitesse de croissance quasi-nulle. Ces conditions, caractéristiques du procédé de l'invention, confèrent à la boue très forte charge des propriétés tout à fait exceptionnelles et notamment les suivantes : la pollution décantable conservée en l'absence de prétraitement primaire permet de lester le floc formé et d'obtenir ainsi une excellente clarification ; l'indice de boue est remarquable avec des valeurs de l'ordre de 40ml/g, valeurs qui ne sont pas obtenues en procédé forte charge, selon l'état antérieur de la technique dans lequel le bassin d'aération est précédé d'un décanteur primaire; la très bonne qualité de la boue très forte charge qui présente une concentration en matières en suspension de l'ordre de 0,5 à 2,5g/l, de préférence entre 0,6 et 1,5 g/1 (ces valeurs pouvant être comparées aux valeurs de 3 à 4 g/1 qui sont préconisées dans l'état antérieur de l'art, notamment dans FR-A-2 594 113) permet d'appliquer des vitesses ascensionnelles élevées (>2m/h) dans le clarificateur qui est associé au bassin d'aération unique, ainsi qu'on le décrira ci- après ; - l'aération est un paramètre qui pèse sur la performance de tout système biologique ; paradoxalement, selon le procédé objet de l'invention, pour une boue très forte charge, le besoin en oxygène est maintenu limitant pour garantir une bonne biosorption, aux dépens d'un bilan épuratoire réduit sur la matière organique facilement assimilable ; - cette limitation du métabolisme oxydatif est d'autant plus facilement obtenu que le temps de séjour hydraulique est maintenu à une faible valeur.
L'intérêt d'un système à forte ou très forte charge charge appliquée, selon la présente invention, par rapport aux systèmes à faible charge, est considérable.
De tels systèmes, dits « intensifs », permettent la conception d'ouvrages beaucoup plus compacts pour le même volume de pollution entrante à traiter, aussi bien au niveau du bassin d'aération qu'au niveau du système de clarification, les boues ayant une excellente décantabilité.
Le phénomène de biosorption se déroulant dans le procédé objet de la présente invention se caractérise par des cinétiques de réactions supérieures (facteur 2 à 3) aux réactions biologiques observées dans les boues activées classiques, et ce avec un faible apport en air (respectivement 0,1 à 0,2kg O / kg DBO5 éliminée contre 0,6kg O2/ kg DBO5 éliminée).
En ce qui concerne les temps de réaction, les ordres de grandeur sont les suivants : - 15 minutes pour la biosorption selon le procédé objet de l'invention ;
- 30 à 45 minutes environ pour la métabolisation selon les procédés classiques.
Le procédé objet de la présente invention se distingue nettement de l'état antérieur de la technique des procédés dits à très forte charge, par des conditions particulières de mise en œuvre de la culture libre, permettant de la faire évoluer de manière permanente en milieu faiblement aéré et à charge massique appliquée élevée pour favoriser les phénomènes de biosorption et de stockage de DBO.
Ainsi, le procédé à boues activées très forte charge mis au point par le professeur Boehnke (voir Boehnke B. et al., 1997, Water Environment&Technology,
23-27 « AB Process removes organics and nutrients » et Boehnke B. et al., 1998, Water Engineering&Management, 31-34 « Cost-effective réduction of high-strength wastewater by adsorption-based activated sludge technology ») ne fait pas référence à des phénomènes de biosorption, mais à une pression de sélection microbiologique, conduisant à une spécificité par adaptation de la biocénose, se traduisant par l'apparition d'une population bactérienne spécifique des procédés Très Forte Charge, plus active metaboliquement parlant. Aucune référence n'est faite, dans cet état antérieur de la technique, à la biosorption comme mécanisme épuratoire essentiel, ce phénomène n'étant utilisé que comme tampon lors des à-coups de charge.
D'autre part, les rendements épuratoires obtenus sont faibles (aux alentours de 50% pour la DBO5), alors que le procédé objet de la présente invention permet d'obtenir des abattements moyens de l'ordre de 75% pour la DBO5 et 80% pour les
MES. L'état antérieur de l'art, relatif aux procédés intensifs, ne permet pas à l'homme du métier de maîtriser la mise en œuvre et la conduite d'un procédé à boue activée, tel que le procédé à forte charge ou très forte charge, objet de l'invention. En effet, il est bien connu de l'homme du métier que ces systèmes sont très sensibles aux à-coups de charge, surcharges hydrauliques ou biologiques, se traduisant par une dégradation rapide des performances et de la qualité requise de l'eau traitée (en termes de pollution carbonée, matières en suspension).
Ainsi, classiquement lors des événements pluvieux, où l'on constate une dégradation de la composition de l'eau à traiter, ces procédés intensifs s'avèrent inadaptés avec un risque de lessivage, pouvant être très rapide, des matières solides contenues dans le réacteur, rendant le traitement de l'effluent à la qualité requise impossible, avec des retours à une situation normale pouvant dépasser les 48 heures.
Le procédé objet de l'invention, comme tout système biologique dit intensif, montre une très grande réactivité aux variations des paramètres de l'eau brute. Etant donné le ratio important de pollution sur la biomasse présente et par conséquent la faible concentration de cette dernière (1 à 2g/l de MES), une variation importante des caractéristiques de l'eau brute provoque très rapidement un déséquilibre du système.
A la différence du procédé à boues activées en aération prolongée, système dit extensif, le procédé à très forte charge ne dispose que d'un faible pouvoir tampon.
Une diminution importante des concentrations de l'effluent provoque immédiatement un lessivage de la biomasse présente dans le système ; de la même manière, une augmentation importante des teneurs en charge polluante de l'eau brute provoque rapidement une augmentation de la concentration en matières en suspension dans le bassin unique d'aération et une possible surcharge du clarificateur qui lui est associé, ainsi qu'on le verra ci-après.
Afin de rendre très souple le procédé objet de la présente invention, lui permettant de supporter des variations de charge volumique ou massique, on prévoit un système de régulation, par modulation du taux de recirculation de la liqueur mixte dans le bassin d'aération unique, cette régulation étant effectuée de manière à maintenir les matières solides (matières en suspension + biomasse) dans une plage définie, de préférence comprise entre environ 1,0 et 1,5 g/1, et elle est assurée par la mesure en continu de la turbidité de la boue activée ou de la liqueur mixte, cette mesure étant couplée à un asservissement du débit de recirculation ou d'extraction de ladite liqueur mixte. Selon l'invention, on peut également prévoir une régulation de l'apport d'air dans le bassin unique, ceci afin de maintenir une faible consigne en oxygène dissous, par exemple entre 0,1 et 1 mg/1. En effet, l'excédent d'oxygène dissous peut être utilisé pour l'oxydation de la matière organique très facilement assimilable, ce qui doit être évité dans le cas du procédé selon l'invention dans lequel on cherche à favoriser le phénomène de biosorption.
L'invention vise également une installation pour la mise en œuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comporte :
- un réacteur à culture libre évoluant en milieu aéré, ce réacteur, qui constitue ledit bassin d'aération unique comportant des moyens d'apport de l'air de façon continue ou intermittente avec un brassage associé,
- des moyens de mesure en continu de la turbidité de la boue activée ou de la liqueur mixte et des moyens de mesure de la concentration en oxygène dissous, dont les données sont traitées par un système d'asservissement d'une part, du débit de recirculation ou d'extraction de la liqueur mixte pour maintenir une teneur constante en matières solides dans ledit réacteur et, d'autre part de l'apport d'air pour maintenir une faible teneur résiduelle en oxygène dissous dans ledit réacteur,
- un clarificateur intermédiaire effectuant la séparation de la boue de l'effluent dépollué, et - un circuit de recirculation de la boue depuis le clarificateur intermédiaire vers le réacteur à culture libre, le débit de la recirculation (ou de l'extraction) étant asservi à la mesure de la turbidité dans le réacteur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins : - la figure 1 représente de façon schématique une installation selon la présente invention et,
- la figure 2 est une courbe illustrant la variation de la constante de biosorption en fonction de la charge appliquée dans un exemple de mise en œuvre du procédé de l'invention.
En se référant à la figure 1, on voit que, dans cet exemple de réalisation, le dispositif selon l'invention comporte un réacteur, ou bassin d'aération unique, à boues activées sous forte charge, désigné par la référence 1, ce réacteur comportant des moyens 2 d'apport en air, de façon continue ou intermittente, l'énergie de brassage étant fournie mécaniquement, avec un système d'asservissement à la teneur en oxygène dissous, et une sonde 3 de mesure de la turbidité. Dans cet exemple de réalisation, un decanteur intermédiaire 4 est associé au réacteur 1 de façon à effectuer la séparation de la boue de l'effluent dépollué. L'installation comporte en outre un circuit 5 de recirculation des boues depuis le decanteur intermédiaire 4 vers le réacteur à culture libre 1, le débit de la recirculation des boues (ou de l'extraction de ces dernières du decanteur intermédiaire 4) étant asservi à la mesure de turbidité fournie par la sonde 3.
A cet équipement de base du dispositif selon l'invention, on peut prévoir divers moyens, de type connu, permettant de compléter le traitement de l'effluent. Ainsi, le dispositif peut comporter un second étage 6 qui peut être :
• un réacteur de nitrification à biomasse fixée à support fixe ou mobile (selon les contraintes de rejet des matières en suspension), recevant l'effluent intermédiaire provenant du décanteur-clarificateur 4 ;
• un réacteur de dénitrification à biomasse fixée à support fixe ou mobile (selon les contraintes de rejet des matières en suspension), recevant l'effluent intermédiaire provenant du réacteur de nitrification. Le carbone assimilable nécessaire peut être fourni de façon externe (sous forme de méthanol par exemple), ou provenir d'une digestion anaérobie des boues extraites du réacteur, ces dernières étant hautement fermentescibles ; • un réacteur de digestion anaérobie ou tout autre système d'hydrolyse des boues pour liquéfier la fraction fermentescible de ces boues et fournir le carbone facilement assimilable nécessaire au procédé de dénitrification ou à un procédé de méthanisation; les boues restantes rendues inertes après hydrolyse étant séparées par tout procédé approprié tel que centrifugation, microfiltration ; • un réacteur de méthanisation pour produire du biogaz et ainsi fournir une partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement du procédé.
De préférence, le réacteur 1 fonctionnant avec des boues activées à très forte charge est réalisé sous la forme d'un bassin d'aération, connu, en termes de génie chimique, sous le nom de « bioréacteur à mélange intégral » qui assure un brassage efficace avec une consommation d'énergie peu élevée ; étant donné que les caractéristiques de l'eau sont les mêmes en tous points du bassin, le phénomène de biosorption sera favorisé.
Ce type de bassin a pour inconvénient d'être sensible aux variations de débit et de caractéristiques du liquide à traiter, phénomènes très fréquemment observés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires. Etant donné que, selon l'invention, on prévoit un asservissement de la teneur en oxygène, ladite sensibilité au débit et au flux de pollution n'aura pas de répercussion sur le traitement de l'effluent.
Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, afin de permettre au réacteur 1 de supporter des variations de charge volumique ou massique, l'invention prévoit un système de conduite, par modulation du taux de recirculation de la liqueur mixte
(circuit 5), pour maintenir les matières solides (MES + biomasse) dans la plage définie, de préférence aux alentours de 1.0 - 1.5g/l, comme spécifié ci-dessus. Dans ce but, on effectue une mesure en continu de la turbidité, à l'aide du turbidimètre à sonde 3, ou de tout autre capteur approprié et connu de l'homme de l'art, par exemple : compteur de particules, spectrophotomètre,..., cette mesure étant couplée à un dispositif d'asservissement du débit de recirculation ou d'extraction de la liqueur mixte. A l'aide de corrélations issues d'abaques correctrices, cette mesure permet de caractériser de manière globale la teneur en matières solides en suspension du milieu, décrivant ainsi les conditions de fonctionnement de l'installation. L'intérêt pratique d'utilisation de ce paramètre pour la régulation des procédés épuratoires par boues activées a déjà été souligné. Ainsi, FR-A-2 784 093 décrit un procédé de gestion automatisée de la recirculation élaborée dans le but de maîtriser le temps de séjour des boues en clarification secondaire dans les procédés à boues activées et ce procédé utilise un signal représentant la concentration de boues obtenu à partir d'un capteur positionné dans la ligne de recirculation. Par ailleurs, FR-A-2 795 713 utilise la mesure de turbidité pour caractériser la charge polluante contenue dans l'eau brute, cette mesure étant associée à la pollution colloïdale et particulaire.
Dans la présente invention le signal obtenu doit représenter la concentration en matières solides, le phénomène de biosorption ne se faisant pas uniquement avec les micro-orgnaismes mais aussi avec les matières en suspension présentes dans les boues. Dans ces conditions, dans le dispositif selon l'invention le capteur tel que 3 doit être positionné soit directement dans le réacteur biologique 1 comme illustré sur la figure 1, soit en sortie dudit réacteur, sur la ligne d'eau alimentant le clarificateur associé 4. Le positionnement se fera dans les règles de l'art connu de l'homme de métier selon le type de capteur choisi.
La régulation mise en œuvre selon l'invention peut consister à définir quatre intervalles de concentrations en matières en suspension MS, dans le bassin unique d'aération 1. A chaque intervalle correspond un fonctionnement adapté, soit de la pompe de recirculation des liqueurs mixtes du clarificateur 4 vers le bassin d'aération 1, soit de la pompe d'extraction des boues.
Le contrôle de la concentration en matières en suspension MS à partir de l'asservissement du débit d'extraction permet d'obtenir un débit total très peu variable (eau usée+recirculation) à travers le système.
Grâce à cette régulation, il est possible de réduire les variations de concentration en matières en suspension, en périodes normales, et de revenir ensuite rapidement à un fonctionnement normal en cas de perturbations dues par exemple à des à-coups de charge, à des événements pluvieux etc...
De préférence, les consignes définies sont les suivantes : concentration objectif 1.5 g/1, écart de concentration ± 0.3g/l , concentration plancher lg/1. Lors d'un événement pluvieux, la dilution des polluants contenus dans l'eau brute conduit à une baisse des matières solides appliquées dans le réacteur 1 . Cette variation provoque immédiatement une augmentation du débit de recirculation ou une diminution du débit d'extraction pour éviter tout risque de lessivage (élimination des matières solides contenues dans le réacteur).
Lors des pointes journalières, les concentrations en polluants augmentent, ainsi que les charges appliquées; cette variation provoque immédiatement une réduction du débit de recirculation ou une augmentation du débit d'extraction, pour éviter une saturation du clarificateur qui se traduirait par des pertes en boues au niveau de l'eau traitée.
Le tableau ci-après illustre le mode de mise en œuvre de cette régulation.
MS / réacteur TFC
faible + Extraction forte
Figure imgf000013_0001
Concentratio e Extraction normale
Figure imgf000013_0002
Cplancher < MS < C-ΔC
Figure imgf000013_0003
Recirculation forte + Extraction faible
Figure imgf000013_0004
Recirculation maxi + Extraction=0
Selon une autre caractéristique de la présente invention, on prévoit également une régulation de l'apport d'air afin de maintenir une faible consigne en oxygène dissous. Cette régulation, basée sur la génération de deux consignes différentes de débit d'air suivant la concentration en oxygène dissous dans le bassin d'aération 1 et dont la mise en œuvre est bien connue de l'homme de métier, servira à maintenir constamment un résiduel en oxygène dissous compris entre 0,1 et 1 mg/1. La régulation peut aussi être obtenue par arrêt de l'aération en fournissant l'énergie de brassage par voie mécanique.
Ainsi, selon l'invention, on effectue un asservissement de deux paramètres distincts : le débit de recirculation ou d'extraction de la liqueur mixte pour maintenir une teneur constante en matières solides dans le réacteur biologique 1 , et la maîtrise des moyens d'apport en air 2 pour maintenir un faible résiduel en oxygène dissous dans le réacteur biologique.
Comme on le comprend, l'association d'un procédé à boues activées très forte charge à un système de conduite optimisée, basé sur l'asservissement des moyens de recirculation ou d'extraction de la liqueur mixte et d'apport en air, permet non seulement d'obtenir un niveau de traitement élevé de la pollution carboné dans un réacteur compact associé à un clarificateur lui-aussi compact, mais surtout de maîtriser le procédé et ses performances dans le temps et ceci même lors des périodes de surcharge hydraulique. L'exemple de mise en œuvre indiqué dans le tableau ci-après fait ressortir la résistance au lessivage, dans une installation selon l'invention fonctionnant sous forte charge, d'une part sans asservissement et, d'autre part avec asservissement, et la figure 2 représente la courbe de la variation de la constante Ao de biosorption en fonction de la charge massique appliquée Cma, exprimée en DCO totale. L'examen de cette courbe montre que, plus la charge appliquée est élevée, plus la constante de biosorption est élevée.
Exemples de TFC ( Très Forte Charge) : résistance au lessivage
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0002

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de traitement par voie biologique des effluents chargés d'impuretés d'origine urbaine ou industrielle, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un bassin unique d'aération (1) à forte charge massique dans lequel l'effluent brut, ou mécaniquement prétraité, est mélangé, sans décantation préalable, à une culture microbienne libre du type boue activée, évoluant en milieu faiblement aéré, de l'ordre de 0,1 à 0,2 kg O2/kg DBO5 éliminée, la charge organique appliquée étant égale ou supérieure à au moins 2 kgDCO/kgMS.j, de préférence égale ou supérieure à 4 kgDCO/kgMS.j, le temps de séjour hydraulique de l'effluent brut dans le bassin unique d'aération étant compris entre 30 et 90 minutes, de préférence entre 40 et 60 minutes et en ce que, dans ledit bassin unique d'aération (1) une partie de la pollution carbonée dissoute et la quasi totalité de la fraction colloïdale et particulaire de l'effluent sont biosorbées par le floc de la boue activée. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur de ladite charge massique s'établit au-delà de 1,5 kgDBO5/kgMS/j., avec une concentration en matières solides comprises entre 0,5 et 2,5gMS/l, conduisant à des charges volumiques appliquées supérieures à 3 kgDBO5/m3/j.
3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est piloté à la limite de l'anaérobiose, en régulant la teneur en oxygène dissous à des valeurs comprises entre 0,1 et lg/1.
4 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la boue très forte charge présente une concentration en matières en suspension de l'ordre de 0,5 à 2,5g/l, de préférence entre 0,6 et 1,5 g/1. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on prévoit un système de régulation, par modulation du taux de recirculation de la liqueur mixte dans le bassin d'aération unique, cette régulation étant effectuée de manière à maintenir les matières solides (matières en suspension + biomasse) dans une plage définie, de préférence comprise entre environ 1,0 et 1,5 g/1, et elle est assurée par la mesure en continu de la turbidité de la boue activée ou de la liqueur mixte, cette mesure étant couplée à un asservissement du débit de recirculation ou d'extraction de ladite liqueur mixte.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une régulation de l'apport d'air dans le bassin unique (1), afin de maintenir une faible consigne en oxygène dissous, de l'ordre de 0,1 à 1 mg/1.
7 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte :
- un réacteur à culture libre (1) évoluant en milieu aéré, dans lequel une partie de la pollution carbonée dissoute ainsi que la quasi totalité de la fraction colloïdale et particulaire de l'effluent sont biosorbées par le floc de la boue activée, ledit réacteur, qui constitue ledit bassin d'aération unique comportant des moyens d'apport de l'air de façon continue (2) ou intermittente, l'énergie de brassage étant alors fournie mécaniquement,
- des moyens (3) de mesure en continu de la turbidité de la boue activée ou de la liqueur mixte et des moyens de mesure de la concentration en oxygène dissous, dont les données sont traitées par un système d'asservissement d'une part, du débit de recirculation ou d'extraction de la liqueur mixte pour maintenir une teneur constante en matières solides dans ledit réacteur et, d'autre part de l'apport d'air pour maintenir une faible teneur résiduelle en oxygène dissous dans ledit réacteur,
- un clarificateur intermédiaire (4) effectuant la séparation de la boue de l'effluent dépollué, et
- un circuit de recirculation (5) de la boue depuis le clarificateur intermédiaire vers le réacteur à culture libre, le débit de la recirculation (ou de l'extraction) étant asservi à la mesure de la turbidité dans le réacteur.
8 - Installation selon la revendication 7 caractérisée en ce que le réacteur 1 fonctionnant avec des boues activées à très forte charge est réalisé sous la forme d'un bassin d'aération à mélange intégral.
9 - Installation selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisées en ce que le capteur (3) est positionné directement dans le réacteur biologique (1). 10 - Installation selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisées en ce que le capteur (3) est positionné en sortie dudit réacteur, sur la ligne d'eau alimentant le clarificateur associé (4).
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