Brevet FR2039386A1 — publié le 19710115

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil d'épuration biologique des eaux résiduaires, où, après une séparation de la boue initiale dans le premier bassin de décantation, on traite les eaux résiduaires dans un bassin 5 ultérieur d'aérage en ajoutant une culture bactérienne cyltivée dans un récipient séparé, après quoi l'on sépare de façon connue, la boue comprenant essentiellement des bactéries, dans la suspension venant du bassin d'aérage, éventuellement après addition d'agents de floculation. 10 Comme il est connu, dans les cas où une épuration des eaux résiduaires réalisée par des moyens mécaniques, c'est-à-dire le filtrage, la clarification, etc.. ne permet pas d'obtenir une épuration satisfaisante desdites eaux résiduaires, on utilise des procédés d'épuration biologiques et se sert, dans ce cas, 15 du même processus que celui qui provoque, dans la nature, l'auto-épuration biologique de l'eau. L'épuration biologique consiste en partie, en une oxydation de la substance organique avec consommation d'oxygène, en partie en une reformation et une floculation de la substance en suspension, qui comprend, pour la 20 plus grande partie, une substance cellulaire, c'est-à-dire principalement des cellules bactériennes vivantes et mortes. On suppose, pour mettre en oeuvre ce procédé, que l'oxygène dissous dans l'eau consommé par les bactéries, est constamment renouvelé. On obtient l'absorption d'oxygène par insufflation continue d'air 25 ou, aussi, par précipitation sous l'action de l'air, de l'eau sous forme finement divisée. On obtient, dans les deux cas, l'absorption rapide d'oxygène visée en augmentant la surface de contact entre l'eau et l'air. Il s'est avéré cependant qu'il est insuffisant d'aérer 50 seulement les eaux résiduaires, dans le but d'obtenir un processus d'épuration rapide, mais qu'il est.nécessaire d'activer également l'eau, c'est-à-dire de l'additionner de bactéries • appropriées. Ainsi a-t-on développé le "processus par activation" et il faut entendre, par ce procédé, l'épuration des eaux rési-55 duaires avec de la boue activée. Le procédé est, pour ainsi dire, une auto-épuration artificiellement renforcée et les processus sont à peu près les mêmes que ceux qui ont lieu dans l'eau de rivière ou de mer naturelle. Seulement les être vivants qui assurent l'épuration sont, dans le bassin d'aérage, rassemblés en nombre énorme dans un petit volume et, grâce à l'amenée d'air 40 14589 2 2039386 artificielle, on est sûr que les êtres vivants trouvent suffisamment d'oxygène malgré leur entassement. Dans ce cas, on agite également, encore artificiellement, l'eau, pour que la masse floconneuse ne se dépose pas au fond où elle mourrait par suite du manque d'oxygène. Dans les installations d'activation connues 5 de ce type, les eaux résiduaires traitées au cours de la première épuration sont mélangées avec le porteur de l'agent d'épuration biologique, la matière vivante floconneuse ou la boue activée qui est retirée par pompage du bassin d'épuration ultérieur comme boue de recyclage. On envoie alors ce mélange dans les bassins 10 d'aérage proprement dits- Il se présente, dans le procédé par activation, deux conditions fondamentales : a) la boue vivante doit être d'une nature telle qu'elle se développe bien avec les eaux résiduaires comme substrat alimen- 15 taire et consomme, dans ce cas, de la matière organique dans ces eaux; b) la boue vivante doit être, en outre, d'une nature telle qu'elle se sépare facilement par dépôt. Ces deux conditions ne peuvent cependant être vérifiées 20 dans la même mesure. En fait, une culture bactérienne nouvellement formée, se trouvant en forte croissance, vérifie bien la condition a), mais moins bien la condition b). Une boue plus ancienne est très minéralisée et remplit, par conséquent, par elle-même la condition b)'mais moins bien la condition a). Par 25 suite, on met toujours en oeuvre,dans la pratique, le procédé par activation sous forme de compromis, dans lequel on cherche à rester aussi près que possible des conditions a) et b). Un autre inconvénient opératoire de cette technique connue consiste en ce qu'il exige, du fait qu'il faut constamment 50 recycler la boue par pompage et évacuer régulièrement la bcae excédentaire, une surveillance continue et attentive du fonctionnement. En outre, le procédé par activation est sensible à l'empoisonnement lors d'une amenée progressive de certaines eaux résiduaires industrielles-55 Pour diminuer le besoin en boue de recyclage, et, par suite, également le besoin en installations de pompage nécessaires à cet effet, on a également déjà essayé d'additionner les eaux résiduaires, dans le bassin d'aérage, d'une culture de bactéries autotrophes nitrifiantes, de façon que des composés azotés 70 14589 3 - 2039386 condommant de l'oxygène, surtout des composés d'ammonium, puissent être oxydés en nitrates . par voie biologique pendant le processus. On prépare, dans ce cas, une culture de ce type à base de bactéries nitrifiantes dans une cuve de culture séparée 5 à partir de deux composants, c'est-à-dire : en partie à partir de matières se rattachant à d'autres étapes du procédé (comme, par exemple, de l'eau épurée ou la suspension qui se trouve dans le bassin d'aérage) et, en partie, à partir d'une source d'azote (comme, par exemple, de la boue ou de l'eau putréfiée). Avec * 10 cette culture de bactéries nitrifiantes, on doit cependant procéder avec de longues durées de séjour, car les bactéries de nitrification (Hitrosomonas et Nitrabacta), qui sont autotrophes, présentent, d'après la. littérature disponible, une vitesse de croissance peu élevée. Il se présente, en outre, l'inconvénient 15 opératoire d'un pompage de recyclage constant. Il s'est avéré à présent que l'invention permet d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus des procédés connus, sans que l'effet du procédé d'épuration s'en ressente, mais au contraire en l'améliorant du fait que, suivant l'invention, on. 20 obtient une durée dé réaction entre boue et eau nettement plus courte. L'invention permet, en oujjre, de faciliter notablement la surveillance du fonctionnement, car on n'a pas besoin de réaliser de pompage de retour, du fait que la boue et l'eau s'écoulent dans le même sens* 25 L'invention permet de résoudre le problème posé en proposant de traiter au moins une partie de la boue initiale par aérage interne pour la transformer en culture de boue hautement active, comprenant la haute teneur existante en bactéries hétéro-trophes. adaptées à la matière organique, et d'ajouter la cul-JO ture de boue hautement active ainsi obtenue aux eaux résiduaires dans le bassin d'aérage ou immédiatement avant celui-ci. Suivant un mode d'exécution approprié du procédé conforme à l'invention, on traite la totalité ou une partie importante de la boue initiale pour le transformer en bout hautement 35 active, de façon appropriée après homogénéisation dans un désin-tégrateur, un broyeur à boulets, etc.. Pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, on peut utiliser, de façon appropriée, un dispositif comprenant un appareil de traitement préalable, un bassin de clarification 40 préliminaire, un bassin d'aérage, un appareil séparateur de la 70 14589 2039386 "boue ainsi qufun récipient de culture séparé, relié au bassin de clari.fication préliminaire et ce qui est caractéristique de ce dispositif, c'est que le récipient de culture comporte, en son intérieur, un organe de répartition ou ventilation d'air. 5 Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir une boue hautement active, c'est-à-dire extrêmement riche en bactéries qui produit une dégradation des substances organiques particulièrement rapide lors du passage des eaux résiduaires par le bassin d'aérage. 10 * L'invention est décrite plus en détail dans la description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés : La figure 1 est un schéma d'écoulement du procédé de l'invention. 15 La figure 2 représente schématiquement une installation proposée pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. La figure 3 représente, à échelle agrandie, le récipient de culture que montre la figure 2; et la figure 4 est un diagramme relatif au rendement du 20 procédé dont il est question. Comme le montre la figure 1, les eaux résiduaires afflu-entes sont envoyées à un appareil de traitement préalable, qui v peut comprendre, par exemple,un tamis et un dessableur classiques De là on envoie les eaux résiduaires à un premier bassin de 25 décantation, duquel on envoie la boue initiale séparée, par l'intermédiaire d'un dispositif d'homogénéisation, à un récipient de culture séparé pour préparer une culture de boue hautement active. On envoie ensuite la boue hautement active ainsi obtenue avant son introduction dans un bassin d'aérage et, du bassin 30 d'aérage, on envoie les eaux boueuses résiduaires dans un bassin de floculation, éventuellement après addition d'agents de floculation. Du bassin de floculation, on envoie la suspension dans une installation de séparation des flocons, dans lequel on élimine d'une part la boue par dépôt, flottation ou filtrage, 35 et d'autre part évacue l'eau épurée. Comme l'indiquent les lignes en traits et points, on peut, pour un amorçage préliminaire, introduire dans le récipient de culture une quantité assez faible de la suspension obtenue dans le bassin d'aérage. Go-sme il ressort du schéma d'écoulement, on utilisa la 40 "boue séparée dans le premier bassin de décantation pour préparer 14589 5 2039386 une culture "bactérienne que l'on appelle, par la suite, boue hautement active. Selon l'invention, on utilise cette boue hautement active, pour amorcer le procédé par activation, au lieu de la boue de recyclage utilisée dans les procédés antérieurs. 5 On peut homogénéiser, de façon appropriée, la boue initiale avant introduction dans le récipient de culture séparé. La quantité de boue initiale utilisée pour la culture peut varier de façon quelconque, la boue initiale non utilisée à cette fin pouvant éventuellement être envoyée dans une installation séparée 10 à des fins de traitement supplémentaire. La figure 2 représente un appareil approprié pour mettre en oeuvre l'invention. Cette installation comprend un tamis ou un dessableur et un premier bassin de décantation 2 subséquent. La boue initiale qui précipite dans le premier bassin 2 est en-15 voyée, après homogénéisation dans un désintégrateur 3, dans un broyeur à boulets 2 ou dans un appareil analogue, dans un récipient de culture séparé 4. Gn envoie de l'air dans le récipient de culture 4 de façon à obtenir un mélange, intime et un aérage de la boue initiale. Suivant un mode d'exécution représenté plus en 20 détail sur la figure 3, le récipient de culture 4 présente une forme- cylindrique avec un fond 5 se rétrécissant coniquement et comporte, en outre, un cylindre intérieur 6 pour obtenir la circu lation visée. Un tuyau annulaire 7 disposé au fond du .récipient de culture 4 et èomportant un certain nombre de trous 8 permet 25 d'introduire de l'air dans le récipient. On introduit la boue homogénéisée .dans la partie supé-. rieure du récipient de culture. L'amenée d'air fait circuler le contenu du récipient 4, avec un mouvement descendant, dans le cylindre intérieur 6. La boue hautement active obtenue de cette 30 façon' est soutirée au fond 5 du récipient et envoyée, par une conduite 10 munie d'une pompe, dans les eaux résiduaires sortant du premier bassin de décantation 2 immédiatement avant ou après son entrée dans le bassin d'aérage 11. Le bassin d'aérage 11 est relié, de façon connue en soi, à un appareil 12 d'insufflation 35 continue d'air. On envoie ensuite l'eau traitée dans le bassin d'aérage 11 dans un bassin de floculation 13 muni, de façon appro priée, d'agitateurs, et dans lequel on peut introduire, par .un dispositif de dosage 14, des agents de floculation éventuels tels que, par exemple, du sulfate d'aluminium, du chlorure ferri-40 que industriel ou de la chaux. On envoie ensuite la suspension 0 14589 6 2039386 dans une installation de floculation 15, dans laquelle la boue se dépose, et quitte l'eau épurée. On peut ensuite, de façon appropriée,_ envoyer la boue obtenue ici dans un bassin 16 pour lui faire subir une stabilisation finale, par exemple aérobie. 5 On peut aussi utiliser ce bassin '16 pour stabiliser la boue initiale qui subsiste éventuellement. Le procédé conforme à l'invention permet, par suite, d'éviter d'utiliser des chambres de putréfaction classiques pour stabiliser la boue initiale. Le récipient de culture 4 peut, le cas échéant, être 10 subdivisé en plusieurs unités 4, 4a montées en série, ce qui accroît la protection contre un empoisonnement éventuel du processus. - L'utilisation, proposée par l'invention, d'une boue hautement active, permet d'obtenir en outre les avantages sui-15 vants : • A) Un procédé d'activation accéléré et, par suite, une durée de réaction notablement plus courte:, B) Le procédé de l'invention permet d'améliorer l'exploitation du substrat et offre, par suite, un ëffet d'épuration supérieur. 20 G) On peut préparer séparément la culture de boue hautement active par exemple en amenant avec retard la boue initiale, ce qui offre une protection contre l'empoisonnement du processus. D) La régulation du processus peut, suivant l'invention, se réduire principalement à une évacuation variable du récipient de 25 culture. E) On peut éviter totalement d'utiliser de la boue de recyclage. ï1) Selon l'invention, il n'est normalement pas'nécessaire de stabiliser la boue initiale. L'exemple qui va suivre expliquera plus en détails le 50 progrès technique représenté par l'invention ; Exemple - Les calculs techniques qui vont suivre ont été effectués• d'après .un modèle mathématique de procédé par activation publié dans "Water ^esearch■Pergamon Press 196?, vol.% pages 795-804". 55 Hypothèses de calcul. On admet pour simplifier les calculs, que l'alimentation de l'installation d'épuration a lieu à débit constant. Selon la source bibliographique mentionnée ci-dessus, on utilise, comme échelle d'impuretés, des équivalents d'oxygène (grammes d'oxygène 40 par m^). 0 14589 7 2039386 On effectue les calculs qui suivent avec un débit d*amenée de 100 m?/h. Après traitement dans le premier'bassin de décantation, on admet que le degré d'impuretés (concentration du substrat) des eaux résiduelles est de 200 g d'oxygène par m^5 5 valeur qui représente la concentration S du substrat. On soutire 0,5 m /h. de boue initiale. On admet que le degré d'impuretés de la boue est de 20.000 g d'oxygène par bt3. La boue est traitée, pour devenir hautement active, dans un récipient de culture muni d'agitateurs et servant de bassin d'aérage. Le temps d'aérage 10 T(h) est choisi de façon que le degré d'impuretés de l'eau quittant le récipient concorde approximativement avec le degré d' impuretés des eaux résiduelles débourbées, c'est-à-dire de 200 g 3 d'oxygène par m . On ajoute dans le bassin d'aérage la culture préparée dans le récipient de culture. 15 Calculs et résultats. On a effectué les calculs techniques relatifs au récipient de culture selon le modèle de processus mentionné ci-dessus et avec les constantes suivantes (en ce qui concerne les notations utilisées, voir la littérature mentionnée plus haut).. 20 a = 4 g/m5, h b = 0,0005 m5/g,h m = 0,2 h~1 Y = 0,4 On a obtenu alors les résultats suivants : 25 Tc = 5,6 h^ Z = 38 g/m5 X = 7.400 Le volume du récipient de culture est, par suite, de 2,8 m5. 30 Pour établir les relations techniques on a dû modifier le procédé de calcul utilisé dans le modèle mathématique mentionné précédemment en prenant en considération les hypothèses modifiées. L'équation d'équilibre pour*la teneur en bactéries vivantes, X, devient, lorsque l'équation d'équilibre est rappor-35 "bée à une unité de temps : 0,5 x 7400 + 0,5 In X (1 - g = 100 X 1 0 14589 8 2039386 L'équation d'-équilibre pour la teneur en cellules mortes Z est : 0,5 x 38 + 0,5 x | - 0,5 Tn bXZ = 100 Z 2 L'équation d'équilibre pour le substrat est : 100 x 200 + 0,5 Tn bXZ - 0,5 = 100 S 5 Tn désigne la durée de séjour (h.) dans le bassin d'aérage et S désigne, dans ce cas, la concentration dans le substrat de l'eau épurée. Le rendement du processus est désigné par U et défini comme : 100 500 - 8 10 300 - Les résultats du calcul ressortent du tableau 1. TABLEAU 1- Valeurs de S, X, Z et î qui se correspondent et rendement S X Z T n % 15 5 133 339 3,60 98,3 8 279 193 1,72 97,3 10 305 146 1,46 96,7 20 323 73 1,10 93,3 \ 30 346 45 1,03 90,0 20 40 300 26 0,97 86,7 Comme il ressort de la figure 4-, le procédé conforme à l'invention donne un rendement élevé déjà au bout d'un temps relativement court. Un calcul analogue pour un procédé par activation normal avec les mêmes constantes et les mêmes conditions hydrau-25 liques montre que le rendement tend asymptotiquement, lorsque la durée de séjour augmente, vers une valeur limite qui n'est pas supérieure à 93,3 5^, tandis que l'on peut atteindre des valeurs supérieures, à 98% lorsque l'on utilise une boue hautement active. 70 14589 9 2039386 - : - EEYiSIiDIOii.îIuES - : - 1 - Procédé d'épuration biologique des eaux résiduaires, ou après séparation de la boue initiale dans le premier bassin de décantation, on traite les eaux résiduaires dans un bassin ultérieur,d'aérage en ajoutant une culture bactérienne, 5 cultivée dans un récipient particulier, après quoi l'on sépare de façon connue la boue comprenant essentiellement des bactéries % dans la suspension venant du bassin d'aérage, éventuellement après addition d'agents de floculation, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'on traite au moins une partie de la 10 boue initiale par aérage interne pour la transformer en culture de boue hautement active, comprenant la haute teneur existante en bactéries (hétérotrophes) adaptées à la matière organique, et que l'on ajoute la culture de boue hautement active ainsi obtenue aux eaux résiduaires dans le bassin d'aérage ou immédiatement 15 avant celui-ci. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé peu? le fait que l'on homogénéise la boue initiale avant de traiter la culture de boue hautement active. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, carac-20 térisé par le fait que l'on soumet la boue initiale, pendant son traitement, à un aérage d'une durée telle que le degré d'impuretés du liquide partant avec la houe hautement active corresponde en gros au degré d'impuretés de l'eau débarrassée de la boue du premier bassin de décantation. 25 4- - " Dispositif permettant de mettre en oeuvre le' • procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à-3, comprenant un appareil de traitement préalable 1, un premier bassin de décantation 2, un bassin d'aérage 11, un appareil de séparation de la boue ^5 ainsi qu'un récipient de culture 4 séparé 30 relié au premier bassin de décantation, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que le récipient de culture 4 comporte, en son intérieur, un organe 7 de répartition d'air. 5 - Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que l'organe de répartition d'air est annulaire et 35 comporte un certain nombre de trous. 14589 10 2039386 6 - Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que le .récipient de culture 4 est relié au bassin d'aérage 11 par l'intermédiaire d'une conduite 10 comportant un organe de réglage 9° 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendi cations 4 à 6, caractérisé par le fait que le récipient de cultu re 4 est subdivisé en plusieurs récipients montés en série.