Brevet FR2235089A1 — publié le 19750124

La présente invention a pour objet un procédé d'épuration des-eaux usées par élimination de itazote chimiquement cobìné qu'elles renferment et qui se présente sous la forme d'ammoniaque ou de matières organiques azotées. Le procédé selon 11 invention procède par voie biologique an deux étapes suclessives, à savoir - une première étape de nitrification par laquelle on transforme l'ammoniaque, par oxydation en préser.ce de bactéries nitrosomonas (lit aérobie) suivie de nitratation en présence de n trobacters, an nitrates, et - une seconda étape de réduction des nitrates formés en présence de bactéries dénitrifiantes pseudomonas(lit anaérobie)@ve apport droxygène au moyen d'une matière organique biodégradable, telle que le mathanol c le glucose. Jusqu'à présent, la mise en oeuvre de chacune de ces étapes s'est faite en stades séparés, le premier stads comprenant l'cxydation de l'ammoniaque ou autre matière azotée suivie d'une décantation et le second stade comprenant la réduction de nitrates suivie d'une clarification. La présente invention a essentiellement pour objet d'améiiorer les conditions de mise en oeuvre de ces étapes par la réalisation d'un procédé qui les combine ensemble de manière à réaliser un traitement complet d'élimination de l'azote combiné contenu dans les eaux usées dans des conditions optimales d'efficacité et en simplifiant-a- la fois le procédé et l'appreillage néces salre pour sa mise en oeuvre. Cette combinaison des deux étapes se réalise en faisant passer l'effluent des eaux usées successivement à travers un lit bactérien aérobie suivi d'un lit anaérobie disposes de manière que la zor,.e contenant le lit aéro~ e entoura celle qui contient le lit anaérobie et que les sections de passage respectives soient déterminées de manière que le temps de séjour de l'affluent dans le lit aérobie soit nettement supérieur au tanps de séjour dans le lit anaérobie, et soit de préférence au moins le double de ce dernier D'une manière plus préférnetielle, le rapport entre les temps respectifs de séjour de l'affluent dans le lit aérobie et dans le lit anaérobie sera compris entre 2 et 24 et de préférence entre 2 et 12. On a en effet ccrstaté, de manière surprenante, que c'est seulement lorsque cette condition est remplie que l'on peut obtenir simultanément le bénéfice d'une conversion élevée de NH4+ en NO et d'un taux également élevé de réduction du N03 permettant d'aboutir à des rendements globaux optima. On sait que les normes imposées pour ltépuration des eaux usées deviennent de plus en plus sévères, ce qui rend indispensable d'avoir recours à un procédé d'épuration à rendement élevé qui cependant ne soit pas d'un cout excessif. L'utilisation selon l'invention de deux zones concentriques pour les lits aérobie et anaérobie permet, en groupant les étages jusque la séparés où s' effec- tuent respectivement la nitrification et la dénitrification, de réduire de fa çon appréciable le cout de l'installation. Toutefois cette disposition, si elle est économique, n'est réèllement avantageuse, si l'on tient compte du rendement du procédé, que si l'on respecte les conditions précédemment définies relatives au rapport des temps de séjour respectifs de l'effluent traité dans les lits aérobie et anaérobie. Pour la mise en oeuvre de l'invention, les temps de séjour pourront être déterminés en fonction du débit en tenant compte d'autres facteurs tels que la surface spécifique du matériau, la hauteur de filtration, l'indice de vide, etc.. En pratique, la détermination du temps de séjour peut se faire expérimentalement par exemple par addition d'un colorant à l'entrée du filtre et mesure du temps au bout duquel on le retrouve à la sortie du filtre. La hauteur des lits (identique pour les deux lits concentriques) ayant été choisie (par exemple 3 à 4m), on se fixe également, compte tenu des normes de purification en vigueur, le rendement minimal à obtenir. L'analyse de l'eau à traiter permet de déterminer la quantité de pollution apportée par jour compte tenu du débit à traiter. On pourra donc en déduire le volume de matériau à utiliser dans un des lits et par suite, compte tenu de la hauteur du lit, la surface de la section de ce lit. Il en résultera pour ce lit une charge hydraulique définie par la formule -Q- charge H - Q étant le débit d'eaux usées traitées et S la surface du lit. Cette charge hydraulique correspond à un temps de séjour bien défini pour le lit considéré. On adoptera alors pour l'autre lit un temps de. séjour choisi dans un rapport avec le temps de séjour dans le premier lit qui se trouve dans la gamme des rapports ci-dessus mentionnée. Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'apport de DCO nécessaire au lit anaérobie peut s'effectuer avantageusement en utilisant au lieu de méthanol ou de glucose, des effluents industriels introduisant dans le lit anaérobie C, H et O mais peu d'azote et en particulier en utilisant des effluents de laiterie ou des effluents de raffinerie de sucre. Les conditions de mise en oeuvre de 1'invention apparaîtront plus clairement dans l'exerple non limitatif suivant donné à titre de simple illustration. Pour cet exemple, on utilise des lits bactériens concentriques tels que repré- sentes au dessin annexé où - la référence 1 désigne le lit bactérien anaérobie5 - la référence 2 désigne le lit bacterien anaérobie disposé annulairement autour du lit anaérobie, - la référence 3 désigne les canalisations d'admission d'air dans le lit aérobie, - la référence 4 désigne la canalisation d'admission de méthanol ou autre substance apportant aux bactéries hétérotrophes du lit anaérobie, qui réalisent la réduction des nitrates, la DCO (demande chimique en oxygène) qui leur est nécessaire, - la référence 5 indique la canalisation d'entrée des eaux usées à traiter, et - la référence 6 désigne la canalisation de sortie des eaux après traitement. Comme on le voit sur la figure, l'effluent des eaux usées à traiter pénètre par la canalisation 5 dans ltespace annulaire contenant le lit aérobie 2 et pregres- se suivant un mouvement ascendant à travers ce lit. Au sommet du cylindre, il inverse sa direction et descend à travers le lit anaérobie 1, qui se trouve logé dans 11 espace cylindrique central, pour être évacué du bas de ce dernier par la canalisation 6. Des essais ont été effectues avec une installation pilote dans laquelle la hauteur des deux lits était de 1 mètre, le diamètre de la zone cyclindrique centrale de lOcm et le plus grand diamètre de la zone annulaire de 30cm. Dans ces essais, on a fait varier le débit et onamesuré séparément dans chaque lit le temps de séjour correspondant. Les tableaux I et Il ci-après reprennent les principaux résultats de ces essais. Les données du tableau Il concernant le lit anaérobie correspondent à une alimentation constante en méthanol de 2cm3/heure. Les résultats obtenus seraient évidemment modifiés si l'on faisait varier cette quantité. En pratique, on réalise une bonne dénitrification en utilisant un rapport de l'alimentation en méthanol a' N-N03 éliminé d'environ 4. TABLEAU I LIT AEROBIE Débit T DCO NH4 NH4 % red NO2 NO3 DCO charge hy- charge orga- % red L/h Séjour entrée entrée sortie NH4 sortie sortie sortie draulique nique eppli- DCO hr mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 appliquée quée m /m2/j kg/DCO/m /j 5 4,2 462 60 2 98 1,5 200 50 1,9 0,0894 89,4 5,6 3,76 500 65 4 93 1,5 220 70 2,23 0,107 88 6,2 3,4 450 63 5 92 1,5 210 75 2,37 0,107 83,3 6,9 3,1 450 65 6-6,5 90 2 210 80 2,71 0,117 82,3 7,4 2,84 460 55 7 87,3 2 180 88 2,95 0,187 81 8 2,63 465 55 8-8,5 85 1,0 180 90 3,19 0,142 80,5 8,6 2,44 461 60 10 83 1,0 190 93 3,29 0,149 79,7 8,9 2,36 445 65 11 83 1,1 210 108 3,4 0,152 75,7 9,6 2,19 442 65 12,5 81 0,9 200 120 3,67 0,162 73 10,4 2,02 440 65 13 80 0,9 190 130 3,96 0,175 70 15 1,4 456 55 25 65 0,5 110 180 5,75 0,262 61 20 1,04 52 TABLEAU II LIT ANAEROSIE Ts débit quantité NH4 + NH4 + NO3 - NO3 - % DCO DCO % NO2- charge hydreu- charge orgama L/h méthanol entrée sortie entrée sortie red entrée sortie red sortie lique nique entrée mg/l mg/1 mg/1 mg/1 NO3 CH3OH mg/1 DCO mg/1 m3/m2/j Kg DCO/m3/j cm /L compris mg/1 25,6 4,7 0,54 1,5 0,1-0,5 200 2 99 534 181 75,5 0-0,01 14,4 7,6 22,9 5,28 0,472 2 0,1-0,5 200 2 99 482 135 72 0-0,01 16,1 6,8 20 6 0,4 2 0,1-0,5 200 5 98 428 87 79,7 0-0,01 18,4 6,9 17 7,2 0,323 4 0,5-1 230 12 95 390 80 79,5 0,01-0,02 22 7,1 15,4 7,8 0,294 5 2 210 20 90 370 98 75 0,01-0,02 28,9 7,8 18,3 9 0,25 8 7 210 30 85 383 100 70 0,02-0,025 27,5 8,8 12,5 9,6 0,233 10 6 200 35 83,5 319 130 59,4 0,03 29,4 8,6 12 9,9 0,225 11 6 220 45 80 326 147 56 0,03 30,3 8,85 11,3 10,6 0,209 12,5 8,5 210 60 72 327 165 49,5 0,03 32,5 10 10,5 11,4 0,19 13 10,5 190 75 60 321 165 48,5 0,05 34,9 9,7 7,5 16 0,125 25 22 110 80 29 314 - - - 49 11 D'après ces tableaux, on voit que suvrnt le debit,qui conditionne l'importance des pertes de charge à travers les lits, il, n'y a qu'une faible variation du rapport des temps de séjour respectif dans le lit aérobie et dans le lit ana érobie, ce rapport restant dans l'intervalle de 10 à 11 et sensiblement au voisinage de 10,5 lorsque le débit @ e de5 Vh å environl5 llh. Cependant, aux débits relativement él@vés, le rapport optimal des temps de séjour et par conséquent des sections respectives des deux lits est très sensiblement différent du rapport précit@ 10 à 11. de l'ense C'est ainsi qu'à volume constant/des deux lits intérêt,pour des débits élevés,à augmenter le temps de séjour dans le lit anaérobie . augmentant la section de celui-ci au détriment de la section annulaire restante du lit aéro- bie. C'est ainsi qu; on voit d'après le tableau II que, pour un -d6bit de 9 l/h, le temps de séjour dans le lit anaérobie est de 13,3 minutes. En doublant la section de ce lit, on double sensiblement le temps de séjour qui dépasse alors 26 minutes. La section restant pour le lit aérobie diminue correlativement de 25 12,5% 200 et le temps de séjour dans ce lit passe ainsi sensiblement de 2,36 h à 2,065 h, c'est-à-dire de 2 h 22min à 2 h 04min soit une diminution de 18 minutes. Le rendement cumule des deux lits, que nous définirons comme le produit du taux de conversion de NH4 (essentiellement en NO3-) dans le lit aérobie par le taux de réduction de NO3- dans le lit anaérobie, qui était initialement de 85% x 0,85 = 70,5% passe alors avec le lit anaérobie de volume double à : 80% (taux de réduction de NH4 pour un temps de séjour dans le lit aéronie su périeur à 2h02) x 0,99 (taux de réduction de NO3- pour un temps de séjour dans le lit anaérobie supérieur à 25,5 minutes) soit un rendement cumulé Rc = 79%. Il y a donc un gain de -rendement de plus de 11% à volume égal de l'apareilla- ge en utilisant un rapport des temps de séjour respectifs dans les deux lits de l'ordre de 5 au lieu de 10. En procédant selon le meme principe et en augmentant la section du lit anaérobie seulement de 60% (diamètre de 12,65cm au lieu de 10) sans changer le volume de l'ensemble, ce qui revient à réduire la section du lit aérobie de 7,5% (1 - ### # ## ) et en faisant passer un débit de 9,6 1/h on obtient un temps de séjour dans le lit anaérobie de 20 minutes et dans le lit aérobie de 2,19 x 0,925 = 2hO2 auxquels correspondent des taux de conversion de NH4 de 80% et de N03 de 98% soit un rendement cumulé Rc = 78,4% avec un rapport des temps de séjour d'environ 6 au lieu de 81% x 0,835 = 67,6% avec un rapport des temps de séjour de 10,5. Lorsqu'on augmente encore le débit, il est avantageux de réduire encore davantage le rapport des temps de séjour dans les deux lits. Pour un débit de 10,4 1/h, on pourra par exemple porter la section du lit anaérobie de 25cm2 à 85cm2 en réduisant corrélativement celle du lit aérobie de 200 à 140cm2. Il en résultera un accroissement du temps de séjour dans le lit anaérobie de 11,3 minutes à environ 38 minutes, tandis que dans le lit aérobie le temps de séjour passera de 121 minutes a' 84 minutes environ (l,4h). Le rendement cumulé sera Rc = 65% x 0,99 = 64,4% pour un rapport des temps de séjour de 84 Vs = 2,2 au lieu de Rc = 80% x 0,72 = 57,6% pour un rapport des temps de séjour de 10,7 ( 121 11,3 Inversement dans le cas de faibles débits, un rapport plus élevé des temps de séjour s'avère plus avantageux.Ainsi, si lton reprend la comparaison précédente mais avec un débit de 5 l/h, le lit anaérobie d'une section de 85cm2 n'apportera aucun avantage par rapport à celui de 25cm2 puisque le temps de séjour en passant de 24minutes à 81 minutes ne change rien aux taux de réduc tion de N03 qui reste à 99% tandis que la diminution corrélative du temps de séjour dans le lit aérobie de 252 minutes (4,2h) à 252 x 0,7 = 176,4 minutes (2,93h) fera chuter le taux de conversion de NH4+ de 98% à environ 88%. Dans le cas de faibles débits, il est donc plus avantageux d'avoir un rapport plus-élevé du temps de séjour dans le lit anaérobie (rapport de 10,5 dans lte xemple précédent). Selon une autre modalité intéressante de la présente invention, on peut avantageusement remplacer le méthanol qui réalise l'apport de DCO au lit anaérobie par un effluent de laiterie ou un effluent de raffinerie de sucres. Ceci a une incidence évidemment très notable sur l'écor.omie du procédé. A titre d'exemple, le tableau III suivant donne les résultats obtenus en ut il sant une alimentation de lOcm3 d'effluent de laiterie par l/h. On notera que la DCO du lait est d'environ 110.000 mg/l. TABLEAU III Ts Débit Quantité NO3- NO3- % red DCO DCO % charge hydraulique charge organique mn L/h eff. lei- entrée sortie NO-3 entrée sortie red m3/m2/j Kg DCO/m3/j terie/cm mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 DCO 30 4 6,66 230 26 81,3 310 105 66,5 12,2 3,8 20 6,0 3,33 220 45 79,6 246 105 57,4 18,4 4,5 18,2 6,6 3,03 230 100 76,5 212 96 54 20,6 4,26 15,4 7,8 2,56 220 65 71 218 110 50 23,9 5,2 14,1 8,5 2,35 210 72 65,7 219 110 17,2 26,1 5,45 9,6 12,5 1,6 180 110 39 192 105 45,4 38,2 7,45 13,3 9 2,22 210 90 57,2 210 112 17,2 27,5 5,75 On voit d'après le tableau III ci-dessus, que les temps de séjour utilisés sont sensiblement du même ordre de grandeur que lorsqu'on utilise le méthanol. Ils sont cependant un peu plus élevés dans le cas considéré mais pourraient être réduits en augmentant le volume d'alimentation en effluent de laiterie. On ne gagnerait cependant pas, semble t-il, a' adopter des temps de séjour très élevés, supérieurs à une heure par exemple, car il existe dans le lait des constituantsdifficilement biodégradables comme la caseine notamment. Quoiqu'il en soit, on voit, d'après le tableau III, que la quantité de DCO rejetée reste bien inférieure à la norme réglementaire de 150-200mgtl. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élimination de l'azote chimiquement combiné contenu dans les eaux usées, consistant à faire passer celles-ci successivement à travers -un lit de bactéries aerobies pour réaliser l'oxydation de l'azote chimiquement combiné en nitrates et à travers un lit de bactéries anaérobies recevant un apport. de D.C.O. pour réaliser la réduction des nitrates formés dans le lit aérobie en azote et oxyde d'azote volatil, caractérisé en ce que le temps de séjour dans les deux lits est choisi de manière que le rapport du temps de séjour dans le lit aérobie au temps de séjour dans le lit anaérobie soit supérieur à 1 et de préférence compris entre 2 et 24. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rapport des temps de séjour est compris entre 2 et 12. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l1 apport de D.C.O. - au lit anaérobie est réalisé au moyen de méthanol ou de glucose. 4. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que l'apport d'oxygène chimique au lit anaérobie est réalisé au moyen de matière organique biodégradable. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière organique biodégradable est un effluent de laiterie. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière organique biodégradable est un effluent de raffinerie de sucres. 7. Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon llune des revendications précédentes, caractérise par deux enceintes concentriques dont itenceinte centrale sert à contenir le lit anaérobie et ltenceinte annulaire périphérique à contenir le lait aérobie 8. Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce que le rapport des sections droites des deux enceintes concentriques est choisi de manière à assurer un rapport du temps de séjour dans le lit aérobie au temps de séjour dans le lit anaérobie compris entre 2 et 24.