WO2022200607A1 - Procédé de filtration biologique aérée pour le traitement des eaux en vue d'en abattre la teneur en azote (ngl) avec réduction des besoins en source carbonée et en aération - Google Patents

Procédé de filtration biologique aérée pour le traitement des eaux en vue d'en abattre la teneur en azote (ngl) avec réduction des besoins en source carbonée et en aération Download PDF

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reactor
water
treated
nitrites
biological filtration
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Romain Lemaire
Jacques MONTELYMARD
Hugues Humbert
Céline HOLTZ
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Veolia Water Solutions & Technologies Support
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Definitions

  • TITLE Aerated biological filtration process for water treatment in order to reduce the nitrogen content (NGL) with reduction of carbon source and aeration needs
  • the present invention belongs to the technical field of the biological treatment of water, in particular waste water, in particular municipal and industrial waste water. More particularly, the present invention relates to a process for the biological treatment of nitrogen-laden water in which part of the water to be treated is used to adjust the stoichiometry of the Anammox reaction, before it enters the reactor in which this reaction takes place.
  • Biological wastewater treatment processes are commonly implemented in order to reduce the nitrogen pollution content.
  • the nitrification-denitrification process is based on the implementation of an aerated phase and an anoxic phase, either within the same reactor, or each carried out in a separate reactor.
  • the supply of oxygen during the aerated phase promotes the development of an autotrophic nitrifying bacterial biomass, composed of AOB bacteria (“ammonia oxidizing bacteria”) capable of transforming ammoniacal nitrogen (NhV) into nitrites (NO 2 ) and bacteria of the NOB type (“nitrite oxidizing bacteria”) capable of transforming nitrites into nitrates (NO 3 ).
  • AOB bacteria ammonia oxidizing bacteria
  • NO 2 nitrite oxidizing bacteria
  • the anoxic phase in the absence of aeration, favors the development of a denitrifying biomass capable of reducing nitrates to nitrites, then to molecular gaseous nitrogen (dinitrogen, N 2 ), thanks to the organic carbon contained in wastewater or coming from an external source of organic carbon such as methanol.
  • N 2 molecular gaseous nitrogen
  • nitritation process also called “nitrate shunt”, in which the operating conditions are modulated in such a way as to favor the development of the AOB biomass to the detriment of the NOB bacteria.
  • This process makes it possible to reduce the oxygen consumption compared to the nitrification-denitrification process.
  • Anammox for ANaerobic AMMonia OXidation
  • Anammox bacteria are autotrophic, and able to transform nitrites and ammoniacal nitrogen into gaseous nitrogen (N2) and a small amount of nitrates (about 11%), without the need to add an organic carbon source. in the reactor. This process therefore makes it possible to reduce the contribution of organic carbon and consequently the costs of water treatment.
  • US2018257966A1 discloses a waste water treatment which includes a biological filtration tank, a nitritation tank and an anammox tank.
  • the Biological Filtration Tank performs biological filtration as a pre-treatment process to incoming wastewater and removes solids and organics.
  • the nitritation tank performs a nitritation process with respect to the wastewater from the biological filtration tank and provides an electron acceptor needed to remove organic matter in the biological filtration tank by returning part of the wastewater to the biological filtration tank.
  • the anammox tank carries out an anaerobic process of ammonium oxidation of the filtered waste water, coming from the biological filtration tank and the nitritation tank. Under real conditions, however, the nitritation tank cannot only produce nitrites and also produces nitrates. Since these nitrates are not treated in the following stages, the water will still contain nitrates at the end of the treatment process.
  • Electron donors in particular exogenous carbon sources, are added to a reactor containing heterotrophic biomass and Anammox bacteria, dedicated to the deammonification.
  • the quantities of electron donor supplied are modulated according to the quantity of oxidized nitrogen measured at the outlet of this reactor.
  • An object of the invention is to provide a process for treating nitrogen-laden water by virtue of which the consumption of oxygen and/or carbon source is further reduced compared with the solutions known in the state of the art.
  • Another objective is to propose a method for treating nitrogen-laden water in which the optimization of the deammonification conditions is carried out without delay.
  • the object of the invention is therefore to propose a method for treating nitrogen-laden water which is more economical and at least as effective as the methods known from the state of the art.
  • the invention proposes a process for the biological filtration of water loaded with nitrogenous pollutants with a view to reducing the overall nitrogen content (NGL) which requires little or no supply of an exogenous carbon source.
  • NNL overall nitrogen content
  • the method according to the invention allows to optimize the deammonification processes independently of the ammoniacal or oxidized nitrogen values measured at the end of the process according to the invention.
  • the process according to the invention comprises a first stage of nitritation and filtration, and a second stage of deammonification, denitrification and filtration.
  • the first stage of nitritation and filtration consists in passing water to be treated through a first aerated biological reactor having a bed of filtering support and containing an autotrophic biomass mainly composed of AOB bacteria, thanks to which part of the nitrogen ammoniacal (NhV) contained in said water to be treated is transformed into nitrites (NO 2 ).
  • This first stage makes it possible to obtain filtered water rich in nitrites and low in nitrates (NO 3 ) at the outlet of the first reactor.
  • the second stage of deammonification, denitrification and filtration consists in passing, according to an upward flow, the water rich in nitrites and poor in nitrates coming from the first reactor into a second non-aerated biological reactor.
  • This non-aerated biological reactor has a first stage containing mobile supports receiving a bacterial biomass composed mainly of Anammox bacteria and heterotrophic bacteria, and a second stage containing a bed of a filtering support.
  • the nitrites coming from the first reactor and the nitrites produced by the heterotrophic bacteria are transformed mainly into molecular nitrogen and a small quantity of nitrates by the Anammox bacteria (deammonification) .
  • the nitrates coming from the first reactor and the small quantity of nitrates produced by the Anammox bacteria are transformed into nitrites by the heterotrophic bacteria (denitrification).
  • the water coming from the first stage is again filtered in the second stage.
  • the method according to the invention also comprises a step consisting in evaluating the ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content of the water as it leaves said first reactor.
  • the method according to the invention further comprises, when the ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content of the water leaving said first reactor is greater than a predetermined stoichiometry value, a step of adding water to be treated to the water coming from the first reactor so as to obtain, at the inlet of the second reactor, a mixture having a ratio of its nitrite and ammoniacal nitrogen contents approximating the stoichiometric ratio of the Anammox reaction.
  • the process according to the invention is implemented with a reduced or even zero exogenous supply of carbon source.
  • the method according to the invention makes it possible to create conditions favorable to heterotrophic bacterial activity without requiring an exogenous supply of carbon, or by requiring only a reduced supply as much as possible.
  • the method according to the invention is therefore more economical and at least as effective as the methods known from the state of the art.
  • the predetermined stoichiometry value is between 1 and 2.5, preferably between 1.1 and 2, more preferably between 1.2 and 1.5.
  • the supply of ammoniacal nitrogen from the water to be treated is operated as soon as the stoichiometric value deviates from the stoichiometric ratio of the Anammox reaction due to an imbalance in favor of the nitrites.
  • the predetermined stoichiometry value makes it possible to tolerate a variation in the ammoniacal nitrogen content which would remain acceptable for the good activity of the Anammox bacteria, and would not harm the good performance of deammonification in the second reactor.
  • the nitrite content of the water at its outlet from said first reactor is measured using a probe placed at the outlet of the first reactor.
  • the ammoniacal nitrogen content of the water at its outlet from said first reactor is measured using a probe placed at the outlet of the first reactor.
  • These probes being placed at the outlet of the first reactor, they allow a rapid evaluation of the contents of nitrogenous products in the water intended to enter the second reactor.
  • the information that these probes provide will allow you to quickly, that is to say almost instantaneously, make the decision to add water to be treated to rebalance the nitrite content on the ammoniacal nitrogen content in the water. which will enter the second reactor.
  • the method according to the invention further comprises measuring the ammoniacal nitrogen content of the water to be treated, using a probe located upstream of the first reactor.
  • Such a probe also allows rapid reading of the ammonia nitrogen contents in the water to be treated and makes it possible to better adjust the quantity of water to be treated to be added to the water coming from the first reactor.
  • the autotrophic biomass from the first reactor is attached to the filter medium.
  • the first reactor comprises a first stage containing movable supports and a second stage containing a bed of a filter medium.
  • nitrification mainly takes place in the first stage.
  • autotrophic biomass will also grow on the filter media of the second stage and nitrification may continue in the second stage.
  • the filter media of the second stage allow the filtration of the water in the first reactor, whether the bacterial biomass has developed on their surface or not. This This solution is advantageous because it further improves the efficiency of the nitrification and can be implemented easily in existing installations, which would comprise two reactors with two stages in series.
  • the filter medium of the first reactor and/or of the second reactor is a fixed bed of particles with a particle size between 2 and 6 mm and a bulk density between 15 and 100 kg/m 3 .
  • Such a particle size makes it possible to store the biomass and retain the particulate pollution. It is then possible to effectively filter the particles in suspension as well as the associated particulate organic matter present in the water to be treated during its passage through the first reactor, as well as in the water contained in the second reactor when water to be treated was added to the water from the first reactor.
  • carrier particles fixed bed
  • Such carrier particles have a lower density than water. Thus, by flotation, they position themselves spontaneously in the upper part of the reactors, which also allows them to be cleaned by gravity washing.
  • the particles of the support are made of polystyrene.
  • This material is advantageous because it is economical and resistant.
  • the mobile supports of the second reactor and/or, where applicable, of the first reactor have a density of between 900 and 1200 kg/m 3 , preferably between 920 and 980 kg/m 3 , and comprise a surface protected from collision with the surface of other mobile supports.
  • Such supports allow the biomass of Anammox bacteria and the biomass of heterotrophic bacteria to grow despite the movements caused by the upward flow of water rich in nitrites and poor in nitrates. Such movements can in fact cause collisions between the supports, which would detach part of the biomass located outside the surface protected from collisions.
  • the water to be treated passes through a decanter, prior to the supply of this water to the first reactor.
  • This embodiment makes it possible to remove some of the particles in suspension and of the associated particulate organic matter contained in the water to be treated, which may sediment in the bottom of the settling tank.
  • the term “Anammox reaction” means the deammonification reaction according to which the nitrites are transformed by the Anammox bacteria, in the presence of ammoniacal nitrogen, into gaseous nitrogen and into a small quantity of nitrates. Based on material balances (Strous et al. 1999), the detailed stoichiometry of this reaction can be written as follows:
  • the term "stoichiometric ratio of the Anammox reaction” means the molar ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content which, in accordance with equation 1 above, is approximately 1.3. This ratio also corresponds to the mass ratio of nitrite nitrogen to ammoniacal nitrogen (1.3 mg N—N0 2 /1 mg N—NH4).
  • the term "stoichiometry value”, unless explicitly mentioned, is the molar ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content.
  • the process according to the invention makes it possible to supply ammoniacal nitrogen to the water coming from the first reactor when the stoichiometry value reflects an imbalance in the stoichiometric numbers in favor of the nitrites.
  • the “predetermined stoichiometry value” according to the invention corresponds to the highest acceptable stoichiometry value at the inlet of the second reactor. It follows from equation 1 above that the optimal stoichiometry value is about 1.3. Consequently, according to one embodiment, the predetermined stoichiometry value according to the invention is equal to 1.3.
  • the predetermined stoichiometry value may however deviate from this value in order to cover acceptable variations in the contents of nitrites and/or ammoniacal nitrogen, without this significantly affecting the activity of the Anammox bacteria present in the second reactor.
  • the predetermined stoichiometry value can be between 1 and 2.5, preferably between 1.1 and 2, more preferably between 1.2 and 1.5.
  • the predetermined stoichiometry value can be approximately 1, approximately 1.1, approximately 1.2, approximately 1.3, approximately 1.4, approximately 1.5, approximately 1.6, approximately 1.7, approximately 1, 8, about 1.9, about 2.0, about 2.1, about 2.2, about 2.3, about 2.4 or about 2.5.
  • exogenous carbon supply means an addition of organic compounds, such as methanol, which do not come directly from the water to be treated but which are generally added thereto to promote the activity of heterotrophic bacteria.
  • nitrogenous pollutants means the nitrogen derivatives present in the waste water.
  • FIG. 1 represents a diagram of an installation suitable for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 2 represents a diagram of another installation suitable for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 3 schematizes the method according to the invention.
  • the inventors have demonstrated that it was possible to further improve the methods for treating water loaded with existing nitrogenous pollutants, in particular by making them more economical. Indeed, the inventors have shown, in a clever way, that it was possible to use water loaded with nitrogenous pollutants (water to be treated) to adjust the stoichiometry of nitrites and ammoniacal nitrogen of the Anammox reaction before entering in the reactor in which the Anammox reaction takes place.
  • the water loaded with nitrogenous pollutants contains carbon sources which advantageously make it possible to promote the activity of the heterotrophic bacteria responsible for denitrification while limiting the exogenous supply of carbon sources, or even avoiding any exogenous supply of sources. of carbon.
  • the oxygen consumption can be reduced by up to 55% and the consumption of an exogenous carbon source can be reduced by up to 100% compared to the methods currently implemented.
  • the process according to the invention is a process for the biological filtration of water charged with nitrogenous pollutants with a view to reducing the overall nitrogen content (“NGL” for N GLobal).
  • the process according to the invention comprises a first step of nitrification 101 and filtration 102 which takes place in a first aerated biological reactor 10 having a bed of a filter medium 12.
  • a reactor can comprise known means for injecting oxygen, in particular air, such as a ramp located in the lower part of the first reactor.
  • the water to be treated 100 is brought 100a through a pipe 1 to the inlet 13 of the first reactor 10.
  • the water passes through the first reactor 10 according to an upward flow and passes through a filtration and nitrification zone containing an autotrophic biomass mainly composed of AOB bacteria fixed on a bed of a filter medium 12.
  • nitrification 101 and filtration 102 take place at the same level in the reactor, and occur simultaneously.
  • the water to be treated 100 is led 100a to the inlet of the first reactor 10, in which the stages of nitrification 101 and filtration 102 will be carried out simultaneously, and the pipe 101a from one stage to the another in the first reactor is not necessary.
  • the water passes through the first reactor 10 according to an upward flow and passes through a first stage containing mobile supports 11, on which is fixed an autotrophic biomass mainly composed of bacteria AOB able to carry out the nitrification 101.
  • the water is then led 101a into the second stage containing the bed of filter medium 12 to allow the filtration 102 of the water.
  • Autotrophic biomass can also grow on the filter media bed in this second stage.
  • the filtration 102 is accompanied by a nitrification activity.
  • the first reactor 10 can contain other autotrophic bacteria such as NOB bacteria.
  • the conditions inside the first reactor such as the pH, the aeration, the applied load and/or the temperature, are adapted so as to favor the majority development of the AOB bacteria within the autotrophic biomass, according to techniques known from the state of the art. Maintaining a low level of density of bacteria of the NOB type limits the transformation of nitrites into nitrates, according to the principle of the “nitrate shunt”. Thus, during the first stage, part of the ammoniacal nitrogen contained in the water to be treated is transformed mainly into nitrites by the AOB bacteria.
  • the water obtained at the outlet 14 of the first reactor 10, at the end of the first stage is a water rich in nitrites and poor in nitrates.
  • the first reactor 10 can also contain a heterotrophic bacterial biomass participating in the reduction of most of the dissolved organic carbon contained in the water to be treated (oxidation of the dissolved organic carbon to CO2).
  • autotrophic and heterotrophic bacteria can grow, within the first reactor, on the bed of a filter medium 12 and, if necessary, on the mobile supports 11.
  • the fixed bed of filtering particles 12 makes it possible to retain the organic matter and the particles in suspension present in the water during the first step of the method according to the invention.
  • the water rich in nitrites and poor in nitrates reaches 102a at the outlet 14 of the first reactor 10.
  • the ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content of the water at its outlet 14 of the first reactor 10 is then evaluated at 103.
  • the water is led 103a through a pipe 2 to the inlet 23 of the second non-aerated biological reactor 20.
  • the second step of de-ammonification, denitrification and filtration of the process according to the invention occurs in the second reactor 20.
  • the water at the inlet 23 of the second reactor 20 passes through the second reactor 20 according to an upward flow. It passes through a first stage 21 containing mobile supports accommodating a bacterial biomass composed of Anammox bacteria and heterotrophic bacteria. In this first stage 21, deammonification and denitrification occur together 104 due to the presence of a carbon source.
  • the nitrites coming from the first reactor and the nitrites produced by the heterotrophic bacteria are converted mainly into molecular nitrogen and a small quantity of nitrates by the Anammox bacteria (deammonification).
  • the nitrates coming from the first reactor and the small quantity of nitrates produced by the Anammox bacteria are transformed into nitrites by the heterotrophic bacteria (denitrification). These nitrites are then used by Anammox bacteria.
  • the water leaving the first stage 21 thus mainly contains molecular nitrogen. It then passes 104a through the second stage 22, containing a bed of filter media, and there undergoes a filtration step 105. It should be noted that bacterial biomass can also grow on the filter bed of the second stage, allowing deammonification and denitrification to continue simultaneously with filtration in the second stage.
  • the mobile supports of the first and/or of the second reactor have a density of between 900 and 1200 kg/m 3 , preferably between 920 and 980 kg/m 3 , and comprise a surface protected from collision with the surface. other mobile media.
  • Such mobile supports are for example the mobile supports described in the patent application published under the number WO2012/136654.
  • the filter medium of the first and/or of the second reactor consists of a fixed bed of particles with a particle size between 2 and 6 mm and a bulk density between 15 and 100 kg/m 3 .
  • Such particles make it possible to retain particulate pollution.
  • their density lower than that of water allows particles to be washed by gravity.
  • these particles are made of polystyrene.
  • these particles are made of expanded polystyrene.
  • the water which leaves 105a the second reactor 20 is a treated water 106.
  • This treated water is led from the outlet 24 of the second reactor 20 by a pipe 3.
  • This treated water can be brought to a storage zone, a treatment zone additional or distribution area for use.
  • the bypass 4 is a pipe which connects the pipe 1 for supplying the water to be treated 100 in the first reactor 10 to the pipe 2 for supplying the water from the first reactor 10 in the second reactor 20.
  • the bypass 4 can be equipped with a valve (not shown) to control the entry of the water to be treated at the level of the pipe 1, and/or with a valve (not shown) to control the exit of the water to be treated at the level of the pipe 2.
  • the water at the outlet 14 of the first reactor 10 may be different from the water at the inlet 23 of the second reactor 20.
  • the conditions in the first reactor 10 are adjusted according to known means to allow the efficient transformation of the ammoniacal nitrogen mainly into nitrites by the biomass. These known means are, for example, aeration and the charge applied with ammoniacal nitrogen in the first reactor 10. Adjustment of the conditions in the first reactor 10 are necessary when the nitrite content of the water becomes too low compared to the ammoniacal nitrogen content, in particular when the ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content becomes significantly lower than a predetermined stoichiometry value.
  • the predetermined stoichiometry value can be between 1 and 2.5, preferably between 1.1 and 2, more preferably between 1.2 and 1.5.
  • the predetermined stoichiometry value can be about 1, about 1.1, about 1.2, about 1.3, about 1.4, about 1.5, about 1.6, about 1.7, about 1.8, about 1.9, about 2.0, about 2.1, about 2.2, about 2.3, about 2.4 or about 2.5.
  • the process according to the invention is implemented with an exogenous supply of carbon source reduced to the maximum or even zero.
  • the carbon consumption is significantly reduced thanks to the method of the invention, compared to known methods.
  • Another advantageous consequence of the process according to the invention is that the quantity of sludge formed by the exogenous supply of carbon sources is also reduced.
  • it may be desirable to provide an exogenous carbon source for example when the water to be treated does not contain enough to allow satisfactory activity of the heterotrophic bacteria.
  • the second reactor 20 can advantageously be equipped with a carbon source feed pipe at the level of the first stage 21.
  • carbon source means easily biodegradable carbonaceous substrates, such as methanol.
  • the evaluation 103 of the ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content is carried out from measured values of the nitrite and nitrate contents.
  • This evaluation can be carried out by means of a known calculation apparatus, such as for example a computer-implemented calculation tool.
  • a computer can advantageously control the opening and closing of the valve(s) that can equip the bypass 4, when they are present.
  • the measurement of the nitrite content can be carried out by any known means.
  • the measurement of the nitrite content is carried out by a probe 31.
  • the use of a probe 31 is advantageous because it makes it possible to take continuous measurements of the nitrite content in the water.
  • Such probes are commercially available, such as for example the “OPUS” nitrite probe marketed by the company Trios.
  • the measurement of the ammoniacal nitrogen content can be carried out by any known means.
  • the measurement of the ammoniacal nitrogen content is carried out by a probe 32.
  • the use of a probe is advantageous because it makes it possible to take continuous measurements of the ammoniacal nitrogen content in the water.
  • An example of a probe suitable for measuring the ammoniacal nitrogen content according to the invention is the ammonium analyzer marketed under the brand AMTAX from the company Hach.
  • the method according to the invention further comprises measuring the ammoniacal nitrogen content of the water to be treated 100. This measurement can be carried out by any known means. In a particular embodiment, this measurement is carried out using a probe SS located upstream of the first reactor 10, for example on the pipe 1.
  • An example of a probe suitable for measuring the ammoniacal nitrogen content according to the invention is the ammonium analyzer marketed under the trademark AMTAX from the company Hach.
  • the method according to the invention also comprises measuring the nitrate content in the water leaving the first reactor 10.
  • This measurement can be carried out by any known means, in particular by a probe (not shown) placed at the outlet of the first reactor, for example on line 2. This measure allows rapid detection of nitrates, and thus reduces the air supply in the first reactor in order to limit the development of bacterial biomass NOB type.
  • the method according to the present invention may comprise a preliminary step consisting in passing the water to be treated through a decanter.
  • a water treatment station is fitted out in order to implement the method according to the invention.
  • a first aerated biological reactor followed by a second non-aerated biological reactor are installed, connected by a pipe fitted with probes for measuring the content of nitrites and ammoniacal nitrogen.
  • the feed pipe for the water to be treated in the first reactor is modified so as to also communicate with a "bypass" pipe.
  • the bypass pipe joins the pipe connecting the two reactors together upstream of the inlet to the second reactor.
  • the first aerated biological reactor 10 contains an autotrophic biomass mainly composed of AOB bacteria fixed on a filter medium 12. It also contains a heterotrophic biomass to break down dissolved organic carbon.
  • the second non-aerated biological reactor 20 has a first stage containing mobile supports 21 accommodating a bacterial biomass composed of Anammox bacteria and heterotrophic bacteria, and a second stage containing a bed of a filtering support 22, on which the bacterial biomass can also be fixed.
  • a water loaded with nitrogenous pollutants 100 is brought 100a into the first reactor 10, in which the aeration and nitrogen loading conditions are set so as to promote the nitrification of the ammoniacal nitrogen.
  • the water is rich in nitrites and poor in nitrates.
  • the nitrite and ammoniacal nitrogen contents of the water leaving the first reactor are measured using probes 31, 32.
  • the molar ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content is measured and, when the value of this ratio is greater than 1.7, the water to be treated 100 is injected 103c into the bypass 4.
  • the water to be treated is mixed with the water from the first reactor 10, upstream of the inlet 23 of the second reactor 20 , so that the mixture has a ratio of the nitrite content to the ammoniacal nitrogen content approaching the stoichiometric ratio of the Anammox reaction.
  • the oxygen consumption and the carbon source consumption are measured, related to the quantity of nitrogen treated, and compared with the values obtained by conventional methods.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de filtration biologique d'une eau chargée en polluants azotés en vue d'en abattre la teneur en azote global caractérisé en ce qu'il comprend une première étape de nitritation et de filtration conduite dans un premier réacteur biologique aéré, une deuxième étape de dé-ammonification, de dénitrification et de filtration conduite dans un second réacteur biologique non aéré, et une étape d'évaluation du rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de l'eau à la sortie du premier réacteur. Lorsque ce rapport est supérieur à une valeur de stœchiométrie prédéterminée, le procédé selon l'invention comprend une étape d'adjonction d'eau à traiter à l'eau provenant du premier réacteur de façon à obtenir, en entrée du second réacteur, un mélange présentant un rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal se rapprochant du rapport stœchiométrique de la réaction Anammox.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de filtration biologique aérée pour le traitement des eaux en vue d'en abattre la teneur en azote (NGL) avec réduction des besoins en source carbonée et en aération
Domaine technique
La présente invention appartient au domaine technique du traitement biologique des eaux, notamment des eaux usées, en particulier des eaux usées municipales et industrielles. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de traitement biologique d'une eau chargée en azote dans lequel une partie de l'eau à traiter est utilisée pour ajuster la stœchiométrie de la réaction Anammox, avant son entrée dans le réacteur dans lequel cette réaction a lieu.
Art antérieur
Les procédés biologiques de traitement des eaux usées sont couramment mis en oeuvre afin d'abattre la teneur en pollution azotée.
Ces procédés reposent sur différents mécanismes réactionnels des produits azotés avec les populations bactériennes présentes dans les réacteurs de traitement.
Par exemple, le procédé de nitrification-dénitrification repose sur la mise en oeuvre d'une phase aérée et d'une phase anoxique, soit au sein d'un même réacteur, soit conduites chacune dans un réacteur séparé. L'apport d'oxygène lors de la phase aérée favorise le développement d'une biomasse bactérienne nitrifiante autotrophe, composée de bactéries AOB (« ammonia oxidizing bacteria ») apte à transformer l'azote ammoniacal (NhV) en nitrites (NO2 ) et de bactéries de type NOB (« nitrite oxidizing bacteria ») aptes à transformer les nitrites en nitrates (NO3 ). La phase anoxique, en absence d'aération, favorise le développement d'une biomasse dénitrifiante apte à réduire les nitrates en nitrites, puis en azote gazeux moléculaire (diazote, N2), grâce au carbone organique contenu dans les eaux usées ou provenant d'une source externe de carbone organique tel que le méthanol. Bien que particulièrement efficace, ce procédé requiert l'apport de grandes quantités d'oxygène et éventuellement de source de carbone organique exogène, ce qui le rend coûteux.
Il existe également le procédé de nitritation, aussi appelé « shunt des nitrates », dans lequel les conditions opérationnelles sont modulées de manière à favoriser le développement de la biomasse AOB au détriment des bactéries NOB. Ce procédé permet de réduire la consommation en oxygène par rapport au procédé de nitrification-dénitrification.
Enfin, il existe le procédé de nitritation-déammnonification qui, en absence d'aération lors de la déammonification, met en jeu une population particulière de bactéries, dites Anammox (pour ANaerobic AMMonia OXidation). Les bactéries Anammox sont autotrophes, et aptes à transformer les nitrites et l'azote ammoniacal en azote gazeux (N2) et en une petite quantité de nitrates (environ 11%), sans qu'il soit nécessaire d'ajouter une source en carbone organique dans le réacteur. Ce procédé permet donc de réduire l'apport de carbone organique et par conséquent, les coûts du traitement des eaux.
Le document US2018257966A1 divulgue un traitement des eaux usées qui comprend un réservoir de filtration biologique, un réservoir de nitritation et un réservoir d'anammox. Le réservoir de filtration biologique effectue une filtration biologique en tant que procédé de prétraitement des eaux usées entrantes et élimine les solides et les matières organiques. Le réservoir de nitritation effectue un processus de nitritation en ce qui concerne les eaux usées provenant du réservoir de filtration biologique et fournit un accepteur d'électrons nécessaire pour éliminer la matière organique dans le réservoir de filtration biologique en renvoyant une partie des eaux usées dans le réservoir de filtration biologique. Le réservoir anammox réalise un processus anaérobie d'oxydation de l'ammonium des eaux usées filtrées, provenant du réservoir de filtration biologique et du réservoir de nitritation. En conditions réelles toutefois, le réservoir de nitritation ne peut pas uniquement produire des nitrites et produit également des nitrates. Ces nitrates n'étant pas traités dans les étapes suivantes, l'eau contiendra encore des nitrates à l'issue du procédé de traitement.
Le document W02018/009348A1 divulgue un procédé de traitement des eaux usées comprenant une dénitrification par l'utilisation de donneurs d'électrons. Les donneurs d'électrons, en particulier des sources de carbone exogènes, sont ajoutés dans un réacteur contenant une biomasse hétérotrophe et des bactéries Anammox, dédié à la déammonification. Les quantités de donneur d'électrons apportées sont modulées selon la quantité d'azote oxydé mesurée à la sortie de ce réacteur. Ainsi, il existe un délai d'ajustement nécessaire entre le moment de la mesure des produits azotés dans l'eau et de la détection d'un écart avec les valeurs attendues, et le moment du rétablissement des conditions de déammonification correctes dans le réacteur après l'ajout de donneurs d'électrons.
Ainsi, il existe un besoin pour une technique ne nécessitant pas d'apport exogène de carbone, ou en quantités réduites par rapport aux solutions existantes. En effet, ces apports exogènes de carbone représentent un poste de dépenses élevé dans le traitement des eaux usées.
Il existe également un besoin pour une technique qui permette d'anticiper les baisses de performances de la déammonification, pour éviter la production d'eau traitée ne répondant pas aux exigences sanitaires et/ou réglementaires pendant une durée d'ajustement plus ou moins longue.
Objectifs de l'invention
Un objectif de l'invention est de proposer un procédé de traitement d'une eau chargée en azote grâce auquel la consommation d'oxygène et/ou de source de carbone est encore réduite par rapport aux solutions connues dans l'état de la technique.
Un autre objectif est de proposer un procédé de traitement d'une eau chargée en azote dans lequel l'optimisation des conditions de déammonification est réalisée sans délai.
L'invention a donc pour objectif de proposer un procédé de traitement d'une eau chargée en azote qui soit plus économique et au moins aussi efficace que les procédés connus de l'état de la technique.
Résumé de l'invention
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention.
L'invention propose un procédé de filtration biologique d'une eau chargée en polluants azotés en vue d'en abattre la teneur en azote global (NGL) qui ne nécessite pas ou peu d'apport de source carbonée exogène. De plus, le procédé selon l'invention permet d'optimiser les procédés de déammonification indépendamment des valeurs en azote ammoniacal ou oxydé mesurées à l'issue du procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention comprend une première étape de nitritation et de filtration, et une deuxième étape de déammonification, de dénitrification et de filtration.
La première étape de nitritation et de filtration consiste à faire transiter une eau à traiter dans un premier réacteur biologique aéré présentant un lit d'un support filtrant et contenant une biomasse autotrophe majoritairement composée de bactéries AOB, grâce à laquelle une partie de l'azote ammoniacal (NhV) contenu dans ladite eau à traiter est transformé en nitrites (NO2 ). Cette première étape permet d'obtenir une eau filtrée riche en nitrites et pauvre en nitrates (NO3 ) en sortie du premier réacteur.
La deuxième étape de déammonification, de dénitrification et de filtration consiste à faire transiter, selon un flux ascendant, l'eau riche en nitrites et pauvre en nitrates provenant du premier réacteur dans un second réacteur biologique non aéré. Ce réacteur biologique non aéré présente un premier étage contenant des supports mobiles accueillant une biomasse bactérienne composée majoritairement de bactéries Anammox et de bactéries hétérotrophes, et un second étage contenant un lit d'un support filtrant.
Au cours de la deuxième étape, une autre partie de l'azote ammoniacal, les nitrites provenant du premier réacteur et les nitrites produits par les bactéries hétérotrophes sont transformés majoritairement en azote moléculaire et en une petite quantité de nitrates par les bactéries Anammox (déammonification).
De plus, au cours de cette deuxième étape, les nitrates provenant du premier réacteur et la petite quantité de nitrates produits par les bactéries Anammox sont transformés en nitrites par les bactéries hétérotrophes (dénitrification).
Par ailleurs, lors de la deuxième étape, l'eau provenant du premier étage est à nouveau filtrée dans le second étage.
Le procédé selon l'invention comprend également une étape consistant à évaluer le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de l'eau à sa sortie dudit premier réacteur.
Le procédé selon l'invention comprend en outre, lorsque le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de l'eau à sa sortie dudit premier réacteur est supérieur à une valeur de stœchiométrie prédéterminée, une étape d'adjonction d'eau à traiter à l'eau provenant du premier réacteur de façon à obtenir, en entrée du second réacteur, un mélange présentant un rapport de ses teneurs en nitrites et en azote ammoniacal se rapprochant du rapport stoechiométrique de la réaction Anammox.
Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec un apport exogène de source de carbone réduit voire nul.
En apportant l'eau à traiter contenant de l'azote ammoniacal dans l'eau issue du premier réacteur, il est possible de rétablir, en entrée du second réacteur, un rapport entre la teneur en nitrites et la teneur en azote ammoniacal proche ou égal au rapport stoechiométrique de la réaction Anammox. Les conditions sont alors optimales pour l'activité de déammonification des bactéries Anammox.
En apportant l'eau à traiter contenant des sources de carbone dans l'eau issue du premier réacteur, il est possible, du fait de la présence de particules en suspension et de matière organique soluble, d'apporter la quantité de carbone organique nécessaire à la bonne activité des bactéries hétérotrophes présentes dans le second réacteur pour le traitement des nitrates. Les particules en suspension seront filtrées dans le second réacteur et la matière organique soluble sera consommée par les bactéries hétérotrophes présentes dans le second réacteur, et ne seront plus présentes dans l'eau traitée à sa sortie du second réacteur. Ainsi, de manière astucieuse, le procédé selon l'invention permet de créer des conditions favorables à l'activité bactérienne hétérotrophe sans nécessiter d'apport exogène de carbone, ou en n'en nécessitant qu'un apport réduit au maximum. Le procédé selon l'invention est donc plus économique et au moins aussi efficace que les procédés connus de l'état de la technique.
Selon un mode de réalisation particulier, la valeur de stœchiométrie prédéterminée est comprise entre 1 et 2,5, de préférence entre à 1,1 et 2, de façon plus préférée entre 1,2 et 1,5.
Ainsi, l'apport d'azote ammoniacal depuis l'eau à traiter est opéré dès que la valeur de stœchiométrie s'éloigne du rapport stœchiométrique de la réaction Anammox en raison d'un déséquilibre en faveur des nitrites. La valeur de stœchiométrie prédéterminée permet de tolérer une variation des teneurs en azote ammoniacal qui resterait acceptable pour la bonne activité des bactéries Anammox, et ne nuirait pas aux bonnes performances de déammonification dans le second réacteur.
Selon un mode de réalisation, la teneur en nitrites de l'eau à sa sortie dudit premier réacteur est mesurée à l'aide d'une sonde placée à la sortie du premier réacteur.
Selon un mode de réalisation, la teneur en azote ammoniacal de l'eau à sa sortie dudit premier réacteur est mesurée à l'aide d'une sonde placée à la sortie du premier réacteur.
Ces sondes étant placées à la sortie du premier réacteur, elles permettent une évaluation rapide des teneurs en produits azotés dans l'eau destinée à entrer dans le second réacteur. Les informations que ces sondes fournissent vont permettre de rapidement, c'est-à-dire quasi-instantanément, prendre la décision d'ajouter de l'eau à traiter pour rééquilibrer la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal dans l'eau qui va entrer dans le second réacteur.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend en outre la mesure de la teneur en azote ammoniacal de l'eau à traiter, à l'aide d'une sonde située en amont du premier réacteur.
Une telle sonde permet également une lecture rapide des teneurs en azote ammoniacal dans l'eau à traiter et permet de mieux ajuster la quantité d'eau à traiter à ajouter à l'eau issue du premier réacteur.
Selon un mode de réalisation, la biomasse autotrophe du premier réacteur est fixée sur le support filtrant.
Dans ces conditions, la nitrification et la filtration ont lieu en même temps grâce au support filtrant et aux bactéries présentes sur ce support.
Selon un autre mode de réalisation, le premier réacteur comprend un premier étage contenant des supports mobiles et un second étage contenant un lit d'un support filtrant.
Dans ces conditions, la nitrification a principalement lieu dans le premier étage. Naturellement, il est possible que la biomasse autotrophe se développe également sur les supports filtrant du second étage et la nitrification pourra se poursuivre dans le second étage. Les supports filtrant du second étage permettent la filtration de l'eau dans le premier réacteur, que la biomasse bactérienne se soit développée à leur surface ou non. Cette solution est avantageuse car elle permet encore d'améliorer l'efficacité de la nitrification et peut être mise en oeuvre aisément dans des installations existantes, qui comprendraient deux réacteurs à deux étages en série.
Selon un mode de réalisation particulier, le support filtrant du premier réacteur et/ou du second réacteur est un lit fixe de particules de granulométrie comprise entre 2 et 6 mm et de densité en vrac comprise entre 15 et 100 kg/m3.
Une telle granulométrie permet de stocker la biomasse et retenir la pollution particulaire. Il est alors possible de filtrer efficacement les particules en suspension ainsi que la matière organique particulaire associée présentes dans l'eau à traiter lors de son passage dans le premier réacteur, ainsi que dans l'eau contenue dans le second réacteur lorsque de l'eau à traiter a été ajoutée à l'eau issue du premier réacteur. De telles particules du support (lit fixe) ont une densité inférieure à celle de l'eau. Ainsi, par flottation, elles se positionnent spontanément en partie haute des réacteurs, ce qui permet également leur nettoyage par lavage gravitaire.
Selon une variante préférentielle de ce mode de réalisation, les particules du support (lit fixe) sont en polystyrène.
Ce matériau est avantageux car il est économique et résistant.
Selon un mode de réalisation, les supports mobiles du second réacteur et/ou, le cas échéant, du premier réacteur, ont une densité comprise entre 900 et 1200 kg/m3, de préférence entre 920 et 980 kg/m3, et comprennent une surface protégée de la collision avec la surface des autres supports mobiles.
De tels supports permettent à la biomasse de bactéries Anammox et à la biomasse de bactéries hétérotrophes de se développer malgré les mouvements provoqués par le flux ascendant de l'eau riche en nitrites et pauvre en nitrates. De tels mouvements peuvent en effet provoquer des collisions entre les supports, ce qui détacherait une partie de la biomasse située à l'extérieur de la surface protégée des collisions.
Selon un mode de réalisation, l'eau à traiter transite dans un décanteur, préalablement à l'amenée de cette eau dans le premier réacteur. Ce mode de réalisation permet de retirer une partie des particules en suspension et de la matière organique particulaire associée contenues dans l'eau à traiter, qui pourront sédimenter dans le fond du décanteur.
Définitions
Dans le contexte de l'invention, on entend par « réaction Anammox » la réaction de déammonification selon laquelle les nitrites sont transformés par les bactéries Anammox, en présence d'azote ammoniacal, en azote gazeux et en une petite quantité de nitrates. Basée sur les bilans matières (Strous et al. 1999), la stœchiométrie détaillée de cette réaction peut s'écrire comme suit :
NH4 + + 1,32 N02- + 0,066 HCOs + 0,13 H+ => 1,02 N2 + 0,26 NOs + 0,066 CH2Oo,5N0,i5 + 2,03 H20 (équation 1)
Ainsi, au sens de la présente invention, on entend par « rapport stoechiométrique de la réaction Anammox » le rapport molaire de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal qui, en accord avec l'équation 1 ci-dessus, est d'approximativement 1,3. Ce rapport correspond également au ratio massique de l'azote des nitrites sur l'azote ammoniacal (1,3 mg N-N02 / 1 mg N-NH4).
Au sens de la présente invention, on entend par « valeur de stœchiométrie », sauf mention explicite, le rapport molaire de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal.
Le procédé selon l'invention permet d'apporter de l'azote ammoniacal à l'eau issue du premier réacteur lorsque la valeur de stœchiométrie reflète un déséquilibre dans les nombres stœchiométriques en faveur des nitrites. Ainsi, la « valeur de stœchiométrie prédéterminée » selon l'invention correspond à la plus grande valeur de stœchiométrie acceptable à l'entrée du second réacteur. Il découle de l'équation 1 ci-dessus que la valeur de stœchiométrie optimale est d'environ 1,3. Par conséquent, selon un mode de réalisation, la valeur de stœchiométrie prédéterminée selon l'invention est égale à 1,3.
La valeur de stœchiométrie prédéterminée peut toutefois s'écarter de cette valeur afin de couvrir des variations acceptables des teneurs en nitrites et/ou en azote ammoniacal, sans que cela n'affecte de façon significative l'activité des bactéries Anammox présentes dans le second réacteur. Ainsi, la valeur de stœchiométrie prédéterminée peut être comprise entre 1 et 2,5, de préférence entre 1,1 et 2, de façon plus préférée entre 1,2 et 1,5. En particulier, la valeur de stœchiométrie prédéterminée peut être d'environ 1, environ 1,1, environ 1,2, environ 1,3, environ 1,4, environ 1,5, environ 1,6, environ 1,7, environ 1,8, environ 1,9, environ 2,0, environ 2,1, environ 2,2, environ 2,3, environ 2,4 ou environ 2,5.
Au sens de la présente invention, on entend par « apport exogène de carbone » un ajout de composés organiques, tel que le méthanol, qui ne proviennent pas directement de l'eau à traiter mais qui sont généralement ajoutés à celle-ci pour favoriser l'activité des bactéries hétérotrophes.
Au sens de la présente invention, on entend par « polluants azotés » les dérivés de l'azote présents dans les eaux usées.
Brève description des figures
[Fig. 1] la figure 1 représente un schéma d'une installation convenant à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
[Fig. 2] la figure 2 représente un schéma d'une autre installation convenant à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
[Fig. 3] la figure 3 schématise le procédé selon l'invention.
Description détaillée de l'invention
Les inventeurs ont mis en évidence qu'il était possible d'encore améliorer les procédés de traitement d'une eau chargée en polluants azotés existants, notamment en les rendant plus économiques. En effet, les inventeurs ont montré, de manière astucieuse, qu'il était possible d'utiliser l'eau chargée en polluants azotés (eau à traiter) pour ajuster la stœchiométrie en nitrites et en azote ammoniacal de la réaction Anammox avant l'entrée dans le réacteur dans lequel se tient la réaction Anammox. De plus, l'eau chargée en polluants azotés contient des sources de carbone qui permettent avantageusement de favoriser l'activité des bactéries hétérotrophes responsables de la dénitrification tout en limitant l'apport exogène de sources de carbone, voire en évitant tout apport exogène de sources de carbone. Ainsi, grâce au procédé selon l'invention, la consommation en oxygène peut être réduite jusqu'à 55% et la consommation en source exogène de carbone peut être réduite jusqu'à 100% par rapport aux procédés actuellement mis en œuvre. Le procédé selon l'invention est un procédé de filtration biologique d'une eau chargée en polluants azotés en vue d'en abattre la teneur en azote global (« NGL » pour N GLobal).
Le procédé de l'invention va être décrit de façon plus détaillée, en faisant référence aux figures à des fins d'illustration seulement, ces références n'ayant pas pour objet de limiter la portée de la présente invention.
Premier réacteur
Le procédé selon l'invention comprend une première étape de nitrification 101 et de filtration 102 qui se produit dans un premier réacteur biologique aéré 10 présentant un lit d'un support filtrant 12. Un tel réacteur peut comprendre des moyens connus d'injection d'oxygène, notamment d'air, tel qu'une rampe située dans la partie inférieure du premier réacteur.
L'eau à traiter 100 est amenée 100a par une canalisation 1 à l'entrée 13 du premier réacteur 10.
Selon un mode de réalisation, tel que schématisé en figure 1, l'eau transite dans le premier réacteur 10 selon un flux ascendant et traverse une zone de filtration et de nitrification contenant une biomasse autotrophe majoritairement composée de bactéries AOB fixée sur un lit d'un support filtrant 12.
Dans cette configuration, la nitrification 101 et la filtration 102 ont lieu au même niveau dans le réacteur, et se produisent de manière simultanée. En référence à la figure 3, l'eau à traiter 100 est conduite 100a à l'entrée du premier réacteur 10, dans lequel les étapes de nitrification 101 et de filtration 102 seront réalisées simultanément, et la conduite 101a d'un étage à l'autre dans le premier réacteur n'est pas nécessaire.
Selon un autre mode de réalisation, tel que schématisé en figure 2, l'eau transite dans le premier réacteur 10 selon un flux ascendant et traverse un premier étage contenant des supports mobiles 11, sur lesquels est fixée une biomasse autotrophe majoritairement composée de bactéries AOB apte à réaliser la nitrification 101. L'eau est ensuite conduite 101a dans le deuxième étage contenant le lit de support filtrant 12 pour permettre la filtration 102 de l'eau. La biomasse autotrophe peut également se développer sur le lit de support filtrant dans ce deuxième étage. Dans ce cas, la filtration 102 s'accompagne d'une activité de nitrification. De manière générale, le premier réacteur 10 peut contenir d'autres bactéries autotrophes telles que les bactéries NOB. Toutefois, les conditions à l'intérieur du premier réacteur, comme le pH, l'aération, la charge appliquée et/ou la température, sont adaptées de manière à favoriser le développement majoritaire des bactéries AOB au sein de la biomasse autotrophe, selon des techniques connues de l'état de la technique. Le maintien à un faible niveau de densité des bactéries de type NOB limite la transformation des nitrites en nitrates, selon le principe du « shunt des nitrates ». Ainsi, lors de la première étape, une partie de l'azote ammoniacal contenu dans l'eau à traiter est transformé majoritairement en nitrites par les bactéries AOB. L'eau obtenue en sortie 14 du premier réacteur 10, à l'issue de la première étape, est une eau riche en nitrites et pauvre en nitrates.
Le premier réacteur 10 peut également contenir une biomasse bactérienne hétérotrophe participant à l'abattement de la majeure partie du carbone organique dissous contenu dans l'eau à traiter (oxydation du carbone organique dissous en CO2).
Il est à noter que les bactéries autotrophes et hétérotrophes peuvent se développer, au sein du premier réacteur, sur le lit d'un support filtrant 12 et, le cas échéant, sur les supports mobiles 11.
Le lit fixe de particules filtrantes 12 permet de retenir la matière organique et les particules en suspension présentes dans l'eau au cours de la première étape du procédé selon l'invention.
L'eau riche en nitrites et pauvre en nitrates atteint 102a la sortie 14 du premier réacteur 10. Le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de l'eau à sa sortie 14 du premier réacteur 10 est alors évalué 103.
Second réacteur
L'eau est conduite 103a par une canalisation 2 vers l'entrée 23 du second réacteur biologique non aéré 20. La deuxième étape de dé-ammonification, de dénitrification et de filtration du procédé selon l'invention se produit dans le second réacteur 20. L'eau en entrée 23 du second réacteur 20 traverse le second réacteur 20 selon un flux ascendant. Elle traverse un premier étage 21 contenant des supports mobiles accueillant une biomasse bactérienne composée de bactéries Anammox et de bactéries hétérotrophes. Dans ce premier étage 21, la déammonification et la dénitrification se produisent ensemble 104 grâce à la présence d'une source carbonée. Une autre partie de l'azote ammoniacal, les nitrites provenant du premier réacteur et les nitrites produits par les bactéries hétérotrophes sont transformés majoritairement en azote moléculaire et en une petite quantité de nitrates par les bactéries Anammox (déammonification). Dans le même temps, dans le premier étage 21, les nitrates provenant du premier réacteur et la petite quantité de nitrates produits par les bactéries Anammox sont transformés en nitrites par les bactéries hétérotrophes (dénitrification). Ces nitrites sont alors utilisés par les bactéries Anammox.
L'eau en sortie du premier étage 21 contient ainsi principalement de l'azote moléculaire. Elle transite 104a alors dans le deuxième étage 22, contenant un lit d'un support filtrant, et y subit une étape de filtration 105. Il est à noter que les biomasses bactériennes peuvent également se développer sur le lit filtrant du deuxième étage, permettant à la déammonification et à la dénitrification de se poursuivre simultanément à la filtration dans le deuxième étage.
Supports
De façon préférée, les supports mobiles du premier et/ou du second réacteur ont une densité comprise entre 900 et 1200 kg/m3, de préférence entre 920 et 980 kg/m3, et comprennent une surface protégée de la collision avec la surface des autres supports mobiles. De tels supports mobiles sont par exemple les supports mobiles décrits dans la demande de brevet publiée sous le numéro WO2012/136654.
Selon un mode de réalisation préféré, le support filtrant du premier et/ou du second réacteur est constitué d'un lit fixe de particules de granulométrie comprise entre 2 et 6 mm et de densité en vrac comprise entre 15 et 100 kg/m3. De telles particules permettent de retenir la pollution particulaire. De plus, leur densité inférieure à celle de l'eau permet un lavage des particules par gravité. De préférence, ces particules sont en polystyrène. Selon une variante, ces particules sont en polystyrène expansé.
Eau traitée
L'eau qui quitte 105a le second réacteur 20 est une eau traitée 106. Cette eau traitée est conduite de la sortie 24 du second réacteur 20 par une canalisation 3. Cette eau traitée peut être amenée vers une zone de stockage, une zone de traitement supplémentaire ou une zone de distribution en vue de son utilisation. Bypass
Lorsque le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de l'eau, évalué 103 à la sortie 14 du premier réacteur 10, est supérieur 103b à une valeur de stœchiométrie prédéterminée, de l'eau à traiter 100 est adjointe 103c à ladite eau provenant dudit premier réacteur 10 grâce à une canalisation 4 dite « bypass ». Cela permet d'obtenir, en entrée 23 du second réacteur 20, un mélange présentant un rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal se rapprochant du rapport stoechiométrique de la réaction Anammox.
Selon un mode de réalisation, le bypass 4 est une canalisation qui relie la canalisation 1 d'amenée de l'eau à traiter 100 dans le premier réacteur 10 à la canalisation 2 d'amenée de l'eau issue du premier réacteur 10 dans le second réacteur 20. Le bypass 4 peut être équipé d'une vanne (non représentée) pour contrôler l'entrée de l'eau à traiter au niveau de la canalisation 1, et/ou d'une vanne (non représentée) pour contrôler la sortie de l'eau à traiter au niveau de la canalisation 2.
Ainsi, dans le procédé selon l'invention, l'eau en sortie 14 du premier réacteur 10 peut être différente de l'eau en entrée 23 du second réacteur 20.
Les conditions dans le premier réacteur 10 sont ajustées selon des moyens connus pour permettre la transformation efficace de l'azote ammoniacal principalement en nitrites par la biomasse. Ces moyens connus sont par exemple l'aération et la charge appliquée en azote ammoniacal dans le premier réacteur 10. L'ajustement des conditions dans le premier réacteur 10 sont nécessaires lorsque la teneur en nitrites de l'eau devient trop faible par rapport à la teneur en azote ammoniacal, notamment lorsque le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal devient significativement inférieur à une valeur de stœchiométrie prédéterminée.
Comme indiqué précédemment, la valeur de stœchiométrie prédéterminée peut être comprise entre 1 et 2,5, de préférence entre 1,1 et 2, de façon plus préférée entre 1,2 et 1,5. En particulier, la valeur de stœchiométrie prédéterminée peut être d'environ 1, environ 1,1, environ 1,2, environ 1,3, environ 1,4, environ 1,5, environ 1,6, environ 1,7, environ 1,8, environ 1,9, environ 2,0, environ 2,1, environ 2,2, environ 2,3, environ 2,4 ou environ 2,5. Comme l'eau à traiter 100 contient des sources de carbone, son adjonction 103c à l'eau issue du premier réacteur 10 permet aussi d'apporter les sources de carbone nécessaires à l'activité des bactéries hétérotrophes du premier étage 21 du second réacteur 20. Ainsi, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec un apport exogène de source de carbone réduit au maximum voire nul. Comme montré dans les exemples, la consommation en carbone est significativement réduite grâce au procédé de l'invention, par rapport aux procédés connus. Une autre conséquence avantageuse du procédé selon l'invention est que la quantité de boues formées par l'apport exogène de sources de carbone est également réduite. Toutefois, il peut être souhaité d'apporter une source de carbone exogène, par exemple lorsque l'eau à traiter n'en contient pas suffisamment pour permettre une activité satisfaisante des bactéries hétérotrophes. Afin de permettre cet apport, le second réacteur 20 peut avantageusement être muni d'une canalisation d'amenée de source de carbone au niveau du premier étage 21. On entend par source de carbone les substrats carbonés facilement biodégradables, tel que le méthanol.
L'évaluation 103 du rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal est effectuée à partir de valeurs mesurées des teneurs en nitrites et en nitrates. Cette évaluation peut être effectuée grâce à un appareil de calcul connu, comme par exemple un outil de calcul mis en œuvre par ordinateur. Un tel ordinateur peut avantageusement contrôler l'ouverture et la fermeture de la ou les vanne(s) pouvant équiper le bypass 4, lorsqu'elles sont présentes.
La mesure de la teneur en nitrites peut être réalisée partout moyen connu. Selon un mode de réalisation, la mesure de la teneur en nitrites est réalisée par une sonde 31. L'utilisation d'une sonde 31 est avantageuse car elle permet de prendre des mesures en continu de la teneur en nitrites dans l'eau. De telles sondes sont disponibles commercialement, comme par exemple la sonde Nitrite "OPUS" commercialisée par la société Trios.
La mesure de la teneur en azote ammoniacal peut être réalisée par tout moyen connu. Selon un mode de réalisation, la mesure de la teneur en azote ammoniacal est réalisée par une sonde 32. L'utilisation d'une sonde est avantageuse car elle permet de prendre des mesures en continu de la teneur en azote ammoniacal dans l'eau. Un exemple de sonde convenant à la mesure de la teneur en azote ammoniacal selon l'invention est l'analyseur d'ammonium commercialisé sous la marque AMTAX de la société Hach. Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend en outre la mesure de la teneur en azote ammoniacal de l'eau à traiter 100. Cette mesure peut être réalisée par tout moyen connu. Dans un mode de réalisation particulier, cette mesure est réalisée à l'aide d'une sonde SS située en amont du premier réacteur 10, par exemple sur la canalisation 1. Un exemple de sonde convenant à la mesure de la teneur en azote ammoniacal selon l'invention est l'analyseur d'ammonium commercialisé sous la marque AMTAX de la société Hach.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé selon l'invention comprend également la mesure de la teneur en nitrates dans l'eau en sortie du premier réacteur 10. Cette mesure peut être effectuée par tout moyen connu, en particulier par une sonde (non représentée) placée au niveau de la sortie du premier réacteur, par exemple sur la canalisation 2. Cette mesure permet la détection rapide de nitrates, et ainsi réduire l'apport d'air dans le premier réacteur afin de limiter le développement de la biomasse bactérienne de type NOB.
Il est possible de faire subir à l'eau à traiter un ou plusieurs traitements préliminaires, avant son amenée dans le premier réacteur 10. Notamment, afin de réduire la quantité de particules en suspension dans l'eau à traiter avant son entrée dans le premier réacteur, le procédé selon la présente invention peut comprendre une étape préalable consistant à faire transiter l'eau à traiter dans un décanteur.
Exemples
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux des exemples qui suivent, donnés à titre illustratif et non limitatif.
Une station de traitement des eaux est aménagée afin de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. En particulier, un premier réacteur biologique aéré suivi d'un second réacteur biologique non-aéré sont installés, reliés par une canalisation munie de sondes de mesure de la teneur en nitrites et en azote ammoniacal. La canalisation d'amenée de l'eau à traiter dans le premier réacteur est modifiée de manière à communiquer également avec une canalisation « bypass ». La canalisation bypass rejoint la canalisation reliant les deux réacteurs entre eux en amont de l'entrée dans le second réacteur.
Le premier réacteur biologique aéré 10 contient une biomasse autotrophe majoritairement composée de bactéries AOB fixée sur un support filtrant 12. Il contient également une biomasse hétérotrophe permettant d'abattre le carbone organique dissous. Le second réacteur biologique non aéré 20 présente un premier étage contenant des supports mobiles 21 accueillant une biomasse bactérienne composée de bactéries Anammox et de bactéries hétérotrophes, et un second étage contenant un lit d'un support filtrant 22, sur lequel les biomasses bactériennes peuvent également être fixées.
Une eau chargée en polluants azotés 100 est amenée 100a dans le premier réacteur 10, dans lequel les conditions d'aération et de charge en azote sont paramétrées de manière à favoriser la nitrification de l'azote ammoniacal. En sortie 14 du premier réacteur, l'eau est riche en nitrites et pauvre en nitrates. Les teneurs en nitrites et en azote ammoniacal de l'eau en sortie du premier réacteur sont mesurées grâce aux sondes 31, 32. Le rapport molaire de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal est mesuré et, lorsque la valeur de ce rapport est supérieure à 1,7, de l'eau à traiter 100 est injectée 103c dans le bypass 4. L'eau à traiter est mélangée à l'eau issue du premier réacteur 10, en amont de l'entrée 23 du second réacteur 20, de manière à ce que mélange présente un rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal se rapprochant du rapport stoechiométrique de la réaction Anammox.
La consommation en oxygène et la consommation en source de carbone sont mesurées, rapportées à la quantité d'azote traité, et comparées aux valeurs obtenues par les procédés conventionnels.
Références
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Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Procédé de filtration biologique d'une eau chargée en polluants azotés en vue d'en abattre la teneur en azote global (NGL) caractérisé en ce qu'il comprend :
- une première étape de nitritation et de filtration consistant à faire transiter une eau à traiter dans un premier réacteur biologique aéré présentant un lit d'un support filtrant et contenant une biomasse autotrophe majoritairement composée de bactéries AOB, grâce à laquelle une partie de l'azote ammoniacal (NH4+) contenu dans ladite eau à traiter est transformé en nitrites (NO2 ), ladite première étape permettant l'obtention en sortie dudit premier réacteur d'une eau filtrée riche en nitrites et pauvre en nitrates (NO3 ) ;
- une deuxième étape de déammonification, de dénitrification et de filtration consistant à faire transiter, selon un flux ascendant, ladite eau riche en nitrites et pauvre en nitrates provenant dudit premier réacteur dans un second réacteur biologique non aéré présentant i) un premier étage contenant des supports mobiles accueillant une biomasse bactérienne composée majoritairement de bactéries Anammox et aussi de bactéries hétérotrophes, et ii) un second étage contenant un lit d'un support filtrant, au cours de laquelle une autre partie de l'azote ammoniacal, les nitrites provenant du premier réacteur et les nitrites produits par les bactéries hétérotrophes sont transformés majoritairement en azote moléculaire et en une petite quantité de nitrates par les bactéries Anammox (déammonification), au cours de laquelle les nitrates provenant du premier réacteur et la petite quantité de nitrates produits par les bactéries Anammox sont transformés en nitrites par les bactéries hétérotrophes (dénitrification) ; et au cours de laquelle l'eau provenant dudit premier étage est à nouveau filtrée dans le second étage ;
- une étape consistant à évaluer le rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal de ladite eau à sa sortie dudit premier réacteur ;
- lorsque ledit rapport est supérieur à une valeur de stœchiométrie prédéterminée, une étape d'adjonction d'eau à traiter à ladite eau provenant dudit premier réacteur de façon à obtenir, en entrée du second réacteur, un mélange présentant un rapport de la teneur en nitrites sur la teneur en azote ammoniacal se rapprochant du rapport stoechiométrique de la réaction Anammox, ladite étape d'adjonction d'eau à traiter à ladite eau provenant dudit premier réacteur permettant de plus d'apporter la quantité de carbone organique nécessaire à la bonne activité des bactéries hétérotrophes présentes dans le second réacteur pour le traitement des nitrates, ledit procédé étant mis en œuvre avec un apport exogène de source de carbone réduit voire nul.
[Revendication 2] Procédé de filtration biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite valeur de stœchiométrie prédéterminée est comprise entre 1 et 2,5, de préférence entre 1,1 et 2, de façon plus préférée entre 1,2 et 1,5.
[Revendication B] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite teneur en nitrites de ladite eau à sa sortie dudit premier réacteur est mesurée à l'aide d'une sonde placée à la sortie dudit premier réacteur.
[Revendication 4] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite teneur en azote ammoniacal de ladite eau à sa sortie dudit premier réacteur est mesurée à l'aide d'une sonde placée à la sortie dudit premier réacteur.
[Revendication 5] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la mesure de la teneur en azote ammoniacal de ladite eau à traiter, à l'aide d'une sonde située en amont dudit premier réacteur.
[Revendication 6] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite biomasse autotrophe dans le premier réacteur est fixée sur ledit support filtrant.
[Revendication 7] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit premier réacteur comprend i) un premier étage contenant des supports mobiles et ii) un second étage contenant ledit lit d'un support filtrant.
[Revendication 8] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit support filtrant du premier réacteur et/ou du second réacteur est un lit fixe de particules de granulométrie comprise entre 2 et 6 mm et de densité en vrac comprise entre 15 et 100 kg/m3.
[Revendication 9] Procédé de filtration biologique selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites particules sont en polystyrène.
[Revendication 10] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits supports mobiles du second réacteur et/ou, le cas échéant, du premier réacteur, ont une densité comprise entre 900 et 1200 kg/m3, de préférence entre 920 et 980 kg/m3, et comprennent une surface protégée de la collision avec la surface des autres supports mobiles.
[Revendication 11] Procédé de filtration biologique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite eau à traiter transite dans un décanteur, préalablement à l'amenée de ladite eau dans le premier réacteur.
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