Brevet FR2201255A1 — publié le 19740426

L'invention concerne l'accélération du traitement chimique et biologique d'eaux usées. Le traitement des eaux usées est un problème sérieux qui revient d'autant plus aigu que les sources naturelles d'eau deviennent plus polluées. Le traitement des eaux usées est difficile en raison de leur volume important et des variations qui se produisent dans leur composition. Par exemple on doit traiter des eaux usées de ville comme des eaux usées industrielles où le contrôle de la composition de la température et des autres conditions est faible ou nul, telles qu'elles se présentent. Bien que les eaux usées puissent présenter une composition très variée, elles peuvent être caractérisées en ce qu'elles contiennent cinq catégories générales de composants. Ce sont : les solides minéraux qui sont appelés aussi solides chimiques, les solides organiques, les matières organiques dissoutes, les matières générales dissoutes qui sont habituellement des composés du phosphore, principalement des phosphates, et de l'eau. Naturellement, toutes les eaux usées ne contiennent pas toutes ces catégories de composants, mais en général les eaux de ville, ou les eaux de ville combinées avec des eaux usées industrielles les contiennent.Dans le passé, chacune des catégories a été traitée d'une façon ou d'une autre. les solides ont été éliminés par filtrage, décantation, floculation, flottation, ors que les matières organiques dissoutes ont été éliminées biologiquement et les produits minéraux dissous ont été précipités et éliminés sous la forme de solides. Un procédé combiné qui est largement utilisé pour le traitement de l'eau usée de ville comprend la séparation initiale des solides qui se filtrent facilement suivie par la conversion biologique aérobie des matières organiques dissoutes au moyen de milieux biologiques que l'on désigne en général par le terme boues activées, suivie de la précipitation des matières minérales dissoutes. Naturellement, on applique des étapes de séparation appropriées entre les différentes phases du traitement, et les ingrédients actifs sont recyclés. De nombreux problèmes se présentent actuellement dans la réalisation de la purification de l'eau usée même par le procédé décrit ci-dessus. Un problème est d'abord posé par le simple volume de l'eau à traiter. les procédés biologiques sont relativement lents, et le temps qui sera pris pour les effectuer se répercutera sur la dimension et le coût de l'équipement employé pour les opérations courantes que l'on emploie actuellement et qui ont été indiquées. Par exemple le traitement courant d'une eau usée est couramment décrit en prévoyant six à huit heures pour le traitement biologique que ron devra effectuer, et l'on doit employer un bassin capable de contenir six à huit heures du flux d'eau usée pour assurer une durée suffisante pour que le traitement soit terminé. La conversion biologique des déchets organiques dissous est une opération biologique et il faut fournir à l'aérateur une quantité suffisante d'oxygène. Normalement, il suffit de 0,1 à 45 milligrammes d'oxygène dissous par litre d'eau usée pour maintenir la-persistance de l'opération biologique aérobie. Dans la plupart des procédés de traitement des eaux usées, on utilise une boue biologique à raison de plus de 2000 milligrammes par litre. les efforts faits pour accélérer l'opération de conversion biologique ont en général échoué.La conversion biologique peut être effectuée en chargeant fortement l'aérateur en boue, c'est à dire en chargeant l'aérateur en boue en proportion supérieure à 2000 milligrammes par litre d'eau usée, et en aérant abondamment le mélange boue-eau usée de faon que la conversion des matières organiques dissoutes en matières inoffensives puisse s'effectuer plus rapidementgmais on a constaté alors qu'avec ce procédé accéléré où l'eau est fortement chargée en boue, la boue se transforme morphologiquement, et prend la forme d'une masse visqueuse filamenteuse dont la décantation est lente et qui est difficile à manipuler, de sorte qu'une grande partie du temps gagné en accélérant le lent processus de conversion biologique est perdue par la lenteur de l'opération qui doit donner l'eau claire par décantation de la boue filamenteuse. Ce problème est généralement désigné comme perte du contrôle de la biomasse. Ainsi on peut ou bien produire une boue qui décante rapidement si l'on augmente la durée passée dans l'aérateur où s'effectue la conversion biologique des déchets, ou l'on peut produire une boue qui convertit rapidement les déchets mais cette boue est alors difficile à décenter, et dans les deux cas on doit conserver d'importants volumes d'eau usée afin d'effectuer une opération lente au total. la limite pratique à laquelle on peut avoir des boues qui sédimentent facilement est d'environ 5 à 9 kgs de DBO (demande en oxygène biologique) par jour et par m3 de bassin aérateur. Le terme DBO est une mesure de la quantité d'oxygène nécessaire pour convertir les polluants biologiques en produits inoffensifs et par suite constitue une mesure de la matière organique qui est susceptible d'être traitée, mais dont la constitution est inconnue, contenue dans l'eau usée.Une autre difficulté que l'on rencontre avec les boues filamenteuses décantant lentement est que la longueur de leur séjour au contact de l'eau usée est cause de ce qu'elles convertissent biologiquement des matières organiques solides ce qui constitue un gaspillage du fait que ces matières peuvent être éliminées par des techniques de séparation plus simples telles que la sédimentation ou la floculation. Il est évident qu'un procédé dans lequel la conversion biologique et la décantation de la boue pourraient être effectuées toutes deux rapidement, serait très avantageux. Un tel procédé demanderait un bassin d'aération beaucoup plus petit, des bassins de décantation plus petits, une quantité de boue plus petite, et aussi la boue serait utilisée plus efficacement car les matières organiques solides ne s'y convertiraient pas en aussi grande proportion. En outre, le procédé permettrait un meilleur contrôle de la boue et pourrait être rétabli beaucoup plus rapidement si un composant imprévu de l'eau usée venait à détruire toute la population bactérienne de la boue. L'invention a pour objet un procédé qui évite ou atténue grandement les problèmes décrits ci-dessus. L'invention concerne un procédé pour le traitement biologique d'eau usée avec de la boue activée dans un bassin d'aération qui est fortement chargé en boue activée, caractérisé en ce qu'on ajoute, en un courant essentiellement continu, des solides minéraux dans une proportion propre à maintenir la teneur en solides minéraux à environ 30 à 60 % des solides totaux en suspension dans l'aérateur. les solides minéraux en suspension alourdissant la boue activée, ce qui augmente la vitesse de sédimentation de cette boue de sorte que l'on peut utiliser, et des aérateurs de faibles dimensions et des bassins de décantation de faibles dimensions.En alourdissant la boue et en provoquant une sédimentation rapide, les solides minéraux à haute densité, pour des raisons encore mal éclaircies évitent que la boue devienne filamenteuse. En conséquence, au cours du fonctionnement de l'invention, une quantité relativement faible de boue biologiquement active circule rapidement entre une zône d'aération et une zône de décantation et le controle du mouvement de la boue permet de charger d'une façon extrêmement forte l'eau usée qui est dans la zône d'aération avec de la matière biologiquement active. Dans l'invention, les solides minéraux en suspension employés dans la zône d'aération pour alourdir la boue peuvent venir de sources étrangères, mais seront de préférence obtenus par une phase de traitement chimique subséquente où les solides minéraux dissous sont précipités, le précipité résultant de cette opération étant envoyé à l'aérateur comme solides minéraux en suspension. Comme on l'a dit ci-dessus, on a constaté qu'il était important pour le procédé de l'invention que les matières solides minérales constituent de 30 à 60- en poids du total des solides dans l'aérateur et que ces solides minéraux soient ajoutés d'une façon essentiellement continue. L'expression d'une façon essentiellement continue signifie qu'à tout moment on doit disposer de solides minéraux fraichement ajoutés pour agir sur l'état de la boue activée.Bien que cette expression puisse admettre de brès interruptions de l'addition de solides minéraux, on doit com prendrè qu'elle exclut les additions intermittentes qui voudraient réaliser la teneur critique en solides minéraux dans l'aérateur sous la forme d'une moyenne sur une période donnée. Dans l'utilisation du procédé suivant l'invention, la limite suivant laquelle on peut convertir des matières organiques tout en maintenant une boue facilement décantable peut monter jusqu'à 10 DEC/jour et par m3 du bassin d'aération, et des charges de 5 kg/jour par m3 sont manipulées facilement. Cela représente une augmentation d'au moins six fois la quantité standard de l'art ancien et représente soit la multiplication de la capacité d'une installation de traitement d'eau usée par un facteur d'au moins six soit en alternative l'éta blissement de nouvelles installations avec une phase d'aération d'un volume essentiellement plus faible. Exprimé en termes de durée, un volume d'eau usée, traité suivant les procédés de traitement courants, et demandant alors de six à huit heures de traitement, peut être traité par le procédé suivant l'invention en une heure pour éliminer plus de 90 % de sa Dbr' et plus de 80 % de sa DOC (demande en oxygène chimique), et des résultats importants peuvent être obtenus en une durée aussi faible que vingt minutes.Le procédé suivant l'invention est aussi assez souple pour être utilisé pour traiter des eaux usées dont la teneur en matières organiques dissoutes est faible. la seule limite minimum de la charge en matière organique est qu'elle soit suffisante pour maintenir en vie le milieu biologique. l'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et du dessin annexé représentant un exemple de réalisation de l'invention. Comme ce dessin est schématique, les équipements courants, tels que soupapes, pompes, rateaux, instruments et autres ont été supprimés car la nature et la disposition de ces accessoires sera évidente pour les personnes compétentes. l'eau d'égout arrive par la canalisation 10 dans l'aérateur 11 pour être convertie par l'action combinée de la boue activée maintenue dans l'aérateur 11 et de l'air ou de l'oxygène fourni par la canalisation 12. Cet équipement d'aération est courant et ne demande pas une description détail L'eau usée arrivant peut être de l'eau d'égout de la ville ou de l'eau usée industrielle ou une combinaison des deux. l'eau usée est couramment à la température ambiante et contient différents polluants, et, dans le procédé suivant l'invention, elle est habituellement prétraitée seulement par tamisage pour éliminer les solides de grande dimension.Bien que l'on puisse envisager d'ajuster la température dans un climat inhabituel, on ne l'ajuste pas habituellement, et dans une installation courante il n'est rien prévu pour ajuster la température. les procédés courants de traitement biologiques peuvent admettre un large éventail de pH, mais les pH inhabituels extrêmes, provoqués par exemple par une importante arrivée d'eau usée industrielle peuvent être ajustés. En parti culier si l'on traite de l'eau usée industrielle, il peut être utile de contrôler le pH et les produits chimiques acides et basiques courants peuvent être utilisés à cet effet. Par exemple si l'eau usée est trop alcaline, on utilisera des acides appropriés tels que l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide acétique, les acides d'halogènes alors que si l'eau usée est trop acides on utilisera des bases telles que l'hydroxyde de sodium, la chaux, l'ammoniaque ou d'autres bases de la série des métaux alcalins ou alcalino-terreux.On pourra utiliser en addition des produits tampons tels que les carbonates, bicarbonates, phosphates ou phosphates acides, solubles. les eaux usées d'égouts de ville classiques ne demanderont pas d'ajustement du pH car leur pH ne variera pas au-delà de la tolérance du milieu biologiquement actif et parce qu'il existe un système tampon inhérent à la composition naturelle carbonate-bicarbonate. l'aérateur 11 est ainsi alimenté en boue activée par la conduite 15 etles produits chimiques solides arrivent par la conduite 26o La charge en boue dans l'aérateur 11 peut monter jusque 5000 mg/l et est de préférence maintenue entre 3000 et 5000 mg/l. Comme on l'a dit plus haut, les produits chimiques solides ou solides minéraux doivent être à tout moment maintenus entre 30 et 60 % en poids de la teneur totale en solides du contenu de l'aérateur afin que la charge importante en boue soit maintenue efficacement en bon état sans devenir filamenteuse.Dans les conditions décrites ci-dessus, on a constaté que les matières organiques dissoutes sont rapidement consommées, et la courte durée de séjour que passe par cycle la boue activée dans l'aérateur évite essentiellement toute consommation biologique de produits organites solides tout en réalisant une consommation à peu près complète des matières organiques dissoutes. l'eau usée traitée biologiquement, aérée, passe de l'aérateur 11, par la conduite 13, dans le séparateur 14, dans lequel les solides se sédimentent pendant que l'eau clarifiée se déverse par un trop-plein et gagne la phase suivante du traitement. Dans le séparateur 14, la plus grande partie des solides se dépose sur le fond et est éliminée. Comme le procédé biologique réalisé dans l'aérateur 11 a pour résultat une augmentation du volume de boue activée et comme les matières organiques solides tendent à s'accumuler, il est nécessaire d'extraire en continu un courant de déchets solides par la conduite 16. les déchets repris par la conduite 16 peuvent être détruits d'une façon suivante qui peut comprendre une oxydation, une incinération etc,.. Si les déchets doivent être incinérés, comme il est recommandé, ils doivent d'abord être essorés par filtration, et à ce sujet les solides minéraux lourds qui chargent la boue augmentent fortement sa filtrabilité grâce au fait que l'on évite que la boue prenne le caractère filamenteux qu'elle prendrait si elle n'était pas aussi fortement chargée en solides minéraux ce qui provoquerait un rapide colmatage du filtre.La boue recyclée qui est fortement chargée en solides minéraux est retournée à l'aérateur 11 par la conduite 15 comme source de matière biologiquement active. On doit souligner que l'importante charge en solides minéraux de la boue activée permet à la décantation de s'effectuer rapidement, de sorte que le séparateur 14 a un volume relativement faible. l'eau clarifiée venant du séparateur 14 passe par une conduite 20 au floculateur 21 dans lequel les matières minérales dissoutes sont précipitées. La précipitation est provoquée par addition de produits chimiques appropriés à partir du bassin 22 o ces produits sont pompés par la conduite 23 par la pompe d'alimentation en produits chimiques 25 pour être mélangés avec l'eau clarifiée passant par la conduite 22. l'eau clarifiée de la conduite 22 contient seulement de très petites quantités de matières organiques dissoutes qui n'ont pas été éliminées dans l'aérateur 11 et les très petites quantités de matières solides organiques et minérales qui n'ont pas été éliminées dans le séparateur 149 mais sensiblement toutes les matières minérales dissoutes qui étaient contenues dans le courant arrivant par la canalisation 100 le floculateur 21 est illustré comme étant équipé de mélangeurs et d'un analyseur de pH 24 qui est monté de façon que le signal qu'il émet contrôle la vitesse de l'alimentation en produits chimiques du floculateur en commandant la pompe d'alimentation 25. le fonctionnement du floculateur 21 peut entre commandé de différentes façons, mais le contrôle du pH est facile à effectuer et convient très bien. les matières minérales dissoutes sont pour la plus grande part des composés du phosphore, en particulier des phosphates, et ceux-ci sont précipités par des cations minéraux tels que le calcium, le fer, et l'aluminium pour en nommer quelques-uns. La chaux, l'alumine, et le chlorure de fer sont couramment employés comme agents de précipitation, bien que l'on en connaisse d'autres que l'on pourra utiliser dans cette technique pour appliquer l'invention. La concentration en phosphore dissous dans l'eau est établie par la concentration en ions précipitants, et, pour chaque ion précipitant, il existe un rapport unique. En conséquence, le pH maintenu dans le floculateur n'a pas une importance critique si ce n'est en ce sens que si le rapport entre le pH pour un précipitant donné et la concentration en phosphore que l'on désire dans l'eau traitée finale a été établi, on doit maintenir le pH dans le floculateur 21 dans des limites fonctionnelles.Certaines valeurs typiques du pH sont les suivantes o si l'on utilise la chaux comme précipitant, le pH doit être maintenu entre 9 et 13 environ, de préférence à 11 environ ~ si l'on utilise l'alumine comme précipitant, on pourra employer un pH qui se situe entre 5 et 8, de préférence un pH de 6 envirion. la chaux est le précipitant préféré du fait qu'elle est peu coûteuse et qu'elle réagit avec le phosphore pour former un solide chimique d'une forme et d'une densité convenables c1est-à-dire que, d'abord, il est suffisamment dense pour décanter rapidement et agit comme floculant pour d'autres solides qui sont dans la masse tels que des matières organiques solides très fines.En outre, les qualités adsorbantes des particules de phosphat de calcium font qu'elles tendent à adsorber les ratières organiques dissoutes, et à transporter certaines ventre elles qui subsistent pour les ramener au traitement biologique dans l'aérateur 11. le liquide du floculateur 21 est envoyé par la conduite 26 au séparateur clarificateur 27 dans lequel les solides restants décantent : l'effluent purifié passe sur un trop-plein et est emmené par la conduite 30 pour être évacué dans un cours d'eau naturel. Lleffluent qui passe dans la conduite 30 peut être traité pour ajuster son pE à un niveau convenable avant de l'évacuer. Ce traitement peut ête effectué dans Se clarificateur 27 en traitant la phase liquide avec du dioxyde de carbone qui précipite lexies de calcium sous forme de carbonate de calcium qui est aussi un solide minéral granulé dési rable pour etre utilisé dans l'aérateur 11. les solides séparés dans le clarificateur 27 sont constitués dans une large mesure par du phosphate précipité, du carbonate de calcium précipité et une petite proportion de matières organiques floculées et de matières organiques dissoutes adsorbées. Ces solides sont retournés, habituellement dans leur totalité, à l'aérateur 11 par la conduite 28. S'il s'est formé des quantités excessives de solides minéraux, on peut les éliminer par la conduite 29 pour en disposer de la façon courante ou les réutiliser. Si l'on a employé de la chaux comme agent de précipitation, le carbonate de calcium récupéré par la conduite 29 peut etre calciné pour donner de la chaux que l'on pourra réutiliser dans les opérations.Il est évident que la quantité de solides recyclée dans l'aérateur 11 dépendra de la concentration en phosphore de l'eau usée que l'on traitera, de la quantité qui sera précipitée dans le floculateur 21, de la vitesse avec laquelle ces solides sont éliminés avec 11 excès de boue et avec les solides organiques par la conduite 16, et de la quantité dont on a besoin dans la pratique dans l'aérateur. Il rentre dans l'idée de l'invention de fournir à partir de sources étrangères, des solides minéraux, du sable par exemple pour réaliser une concentration adéquate de l'ordre de 30 à 60 % en poids du total des solides dans l'aérateur.Ce mode de réalisation ne sera habituellement utilisé qu'au cours du démarrage, pendant les périodes où la concentration en phosphore dissous dans l'eau usée n'est pas suffisante pour fournir à la demande du procédé, quand on traitera des eaux usées dont le déficit en sels minéraux dissous est chronique, ou dans les cas où le recyclage à partir de la seconde phase est indésirable pour d'autres raisons. l'exemple suivant est donné pour illustrer un mode d'application du procédé de l'invention et à titre d'exemple non-limitatif. EXEMPLE : le procédé suivant l'invention a été appliqué à la purification d'un courant d'eau usée où le DBO est de 113 mg/l, le DOC de 241 mg/î, la teneur en phosphore sous forme de phosphates dissous de 11 m~/l et la teneur en solides en suspension de 47,5 mg/l. l'eau usée a été traitée biologiquement dans un aérateur dont le volume total utilisable est de 200 1, alimenté en air par un compresseur par des orifices du fond en quantité suffisante pour maintenir aérobie le liquide qui se trouve dans l'aérateur. L'effluent de l'aérateur est envoyé dans un décanteur dloù l'eau clarifiée est retirée et envoyée dans un floculateur bien agité.On ajoute dans le floculateur assez de chaux pour maintenir le pH à Il et l'effluent du floculateur est envoyé dans un décanteur où s'effectue la séparation de sorte que l'on recueille un effluent d'eau clarifiée. les solides minéraux qui ont été récupérés dans le séparateur sont recyclés suivant l'invention de façon à maintenir la charge indiquée alors que dans des exemples comparatifc les solides minéraux seraient évacués. On donne dans le tableau suivant les résultats moyens d'un certain nombre d'essais. les conditions de fonctionnement sont celles qui ont été maintenues dans l?aérateur. TABIEAU Vitesse d'arrivée de l'eau usée l/min 9 boue activée mg/l 3000 solides minéraux mg/l 3000 charge en organiques dissous DBO/jour/par m3 18 pH dans le floculateur il Propriétés de leffluent clarifié DBO, mg/l 9,5 % du DBO éliminé 92 DOC en mg/l 41 % du DOC éliminé 83 phosphore, mg/l 0,44 % du phosphore éliminé 96 solides en suspension mg/l 1,9 % des solides en suspension éliminés 96. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I a A 2 I O N S REVENDICATIONS 10) Procédé pour accélérer le traitement des eaux usées comprenant l'introduction, dans un aérateur, de ces eaux usées et d'une boue biologiquement active capable de convertir les déchets contenus dans l'eau en substances inoffensives, dans lequel on ajoute continuellement dans l'aérateur des particules minérales solides dans une proportion propre à maintenir la concentration en particules minérales solides dans l'aérateur à environ 30 à 60 % du poids total des matières solides, caractérisé en ce que ce procédé est réalisé en deux phases, une phase à action biologique ou l'on soumet les eaux usées au traitement en boues activées, fait passer l'effluent de l'aérateur dans un séparateur où les solides sont séparés de l'eau clarifiée, et renvoie ces solides dans l'aérateur, et une phase chimique, où l'on fait passer l'eau clarifiée sortant du séparateur dans un floculateur où elle est mélangée avec des cations métalliques propres à provoquer la précipitation des matières minérales dissoutes, fait passer l'effluent du floculateur dans un décanteur où l'on sépare l'eau purifiée des particules minérales solides précipitées, les particules ainsi produites constituant celles que l'on ajoute dans l'aérateur pour maintenir la concentration indiquée ci-dessus dans la phase biologique. 20) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cations métalliques sont des ions calcium et que le pH est maintenu dans le floculateur entre 9 et 13. 30) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cations métalliques sont des ions aluminium, et que le pH est maintenu dans le floculateur entre 5 et 8. 40) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les cations métalliques sont des ions ferriques. 50) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on alimente l'aérateur de façon que la demande en oxygène biologique DBO par jour soit de 5 à 9 kg par m3 de volume d'aérateur.