Brevet FR2318117A1 — publié le 19770211

L'invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement des eaux usées dans lesquels on décompose de façon aérobie les constituants organiques des eaux usées et on décompose en leurs éléments fondamentaux les nitrates formés à la suite de cette décomposition anaérobie. Le procédé à boue activée s'occupe de 11 élimination des ma- tières fines, des matières colloidales et des composés organiques qui restent dans les eaux usées une fois que l'on a éliminé de celles-ci les particules grossières et lourdes, par tamisage et/ou décantation. Ces matières résiduelles comprennent généralement les hydrates de carbone, la cellulose et ses dérivés, les protéines, les amines, l'ammoniac, les substances minérales ainsi que les organismes bactériens et les protozoaires vivants qui se nourrrissent de ces matières. On soumet ces eaux à l'oxygénation en les agitant en présence d'oxygène ou d'air, ce qui cause une réaction chimique et/ou biologique. Par suite de la réaction, les particules des eaux usées forme un floc de boue qui se dépose facilement et qui cause aussi le développement et la reproduction d'organismes bactériens et autres petits organismes vivants. Le floc de boue devent ainsi actif quant à l'absorption et à l'oxydation de la matière organique contenue dans les eaux usées de sorte que la matière organique se décompose en anhydride carbonique, produits solubles et produits faciles à précipiter. De même, si l'on conduit le processus pendant un temps suffisamment long, la teneur en ammoniac des eaux se décompose en nitrates et ions hydrogène.En outre, lorsque le floc se dépose, il entraîne avec lui presque tous les solides en suspension dans les eaux usées et une grande partie des solides à l'état colloïdal. On maintient cette "boue activée" en ramenant aux eaux usées une partie de la boue récupérée. Cette séparation et ce recyclage de boue activée vers les eaux usées fraîches en vue dsune nouvelle aération aboutit à la purification continue de l'eau contenue dans les eaux usées de sorte qu'au moins 90 de la demande biologique d'oxygène (D.B.O.) de la matière organique pré- sente dans les eaux usées fraiches sont éliminés. L'eau qui reste auprès décantation du floc activé peut alors être déversée dans les cours d'eau et canaux adjacents.On peut trouver une description complète d'un tel procédé à boue activée et d'un appareil destiné à la pratique du procédé dans le brevet des E.U.A. n0 2 684 941. Il faut noter toutefois que l'effluent des eaux usées purifiées contient encore des composés azotés solubles (provenant de la décomposition de l'ammoniac), des phosphates etc. Le déversement de ces matières dans les lacs et cours d'eau est indésirable étant donné qu'elles favorisent le développement des algues et autres plantes aquatiques qui, à leur tour, épuisent la teneur en oxygène du cours d'eau et polluent ainsi l'eau réceptrice. Cette dénitrification ne fait généralement pas partie des procédés antérieurs à boue activée. Toutefois, lorsqu'on a tenté d'éliminer ces polluants virtuels, on a généralement eu recours à des réservoirs extérieurs de dénitrification dans lesquels la boue activée est maintenue dans une atmosphère déficiente en oxygène de sorte que les bactéries présentes sont capables de décomposer les nitrates et de consommer ainsi l'oxygène libéré de ceuxci. Toutefois, ces techniques nécessitent de la place et du temps, elles sont coûteuses et relativement inefficaces en ce sens que 50 à 60ost seulement du nitrate formé dans le procédé à boue activé sont éliminés. C'est pourquoi le but principal de l'invention est de fournir un procédé perfectionné de purification des eaux usées. Un autre but est de fouir une technique originale de dénitrification. Un autre but est encore de tirer parti de cette technique de dénitrification, conjointement avec le procédé à-boue activée, pour la purification des eaux usées. Un autre but est de conduire la décomposition aérobie et la dénitrification des eaux usées en un processus combiné et continu. Un autre but est d'éliminer pratiquement l'effet polluant de l'effluent de la boue activée. En fonction de ces buts, on a découvert un procédé très efficace de purification et de dénitrification qui élimine pratiquement l'effet polluant des effluents résultant du procédé et qui surmonte pratiquement aussi les difficultés inhérentes aux techniques antérieures de dénitrification, Ainsi, l'étape de dénitrification de l'invention consiste à ajouter de l'eau usée fraîche au liquide contenu dans le réservoir, qui a subi la décomposition aérobie et qui est pratiquement dépourvu d'oxygène. Les bactéries du liquide contenant la boue activée disposent ainsi d'un supplément de matière organique sur lequel elles peuvent réagir mais elles manquent d'oxygène. Afin de satisfaire leur besoin d'oxygène, elles agissent sur les nitrates dissous dans le liquide et consomment oxygène résultant de leur décomposition.Le déroulement continu du procédé et lt-élimination de la matière solide contenue dans ce liquide fournissent un effluent qui ne contient généralement pas plus de 105t' environ des nitrates formés par la décomposition aérobie de l'ammoniac du liquide. Plus particulièrement il s'agit d'un procédé continu de traitement par boue activée des eaux usées, caractérisé par le fait que, de façon continue, on inSecte des eaux usées brutes dans un réservoir présentant une seule boucle de parcours fermée horizontale on aère le liquide dans ce parcours pour favoriser la décorn postion aérobie des eaux usées et la formation de nitrates dans le liquide, on fait circuler le liquide aéré dans le parcours sur une première distance où la décomposition se déroule Jusqu'à ce que le liquide soit pratiquement dépourvu d'oxygène au point d'injection des eaux usées brutes, que l'on fait circuler dans le parcours le liquide contenant des nitrates et les eaux usées brutes, sur une deuxième distance où la dénitrification se déroule dans le liquide jusqu'à ce qu'il atteigne le point d'aération suivant du parcours, que l'on retire en continu le liquide traité, pour le clarifier et décanter la boue qu'il contient, à un débit~ repré- sentant approximativement le débit d'injection d'eaux usées brutes, que l'on déverse l'effluent liquide clarifié ainsi obtenu et que l'on ramène au liquide du réservoir au moins une partie de la boue décantée, la deuxième distance représentant au moins 10% environ de la somme des première et deuxième distance. L'appareil prévu pour la pratique du procédé comprend un réservoir d'aération muni d'une entrée, d'au moins un dispositif d'agitation et d'une sortie. Dans la construction de l'appareil, il est essentiel que l'entrée soit suffisamment éloignée du dispositif d'agitation pour laisser un temps suffisant à la décomposition aérobie des eaux usées et permettre pratiquement d'en épuiser la teneur en oxygène. De même, il faut que l'entrée soit placée assez loin du point aération suivante pour permettre une dênitrification notable des eaux usées avant une nouvelle aération de ce liquide. Four réaliser ce qui précède, l'invention a pour objet un procédé et un appareil de traitement des eaux usées, décrits ciaprès à propos des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un organigramme représentant le parcours suivi et les étapes de procédé rencontrées par les eaux usées selon l'invention et les figures 2, 3 et 4 sont des plans schématiques d'appareils selon l'invention et représentent leurs différents composants et la relation de ceux-ci. Comme le montre la figure 2, l'appareil type de l'invention ici décrite comprend un réservoir d'aération 10 muni d'une entrée 12. Le réservoir d'aération 10 peut être divisé au moyen d'une cloison 14 en deux sections 16,18 (représentées égales mais qui ne le sont pas nécessairement) qui sont en communication par les zones 20, 22. Un dispositif d'agitation 24 est monté dans le réservoir 10, généralement dans la zone de communication 20. Le dispositif d'agitation 24 sert à aérer les eaux usées en battant l'air ou l'oxygène au dessus de la surface du liquide pour l'incorporer au liquide tout en maintenant aussi le liquide en mouvement dans le réservoir 10, pratiquement sans décantation de la boue qui s'y trouve.De tels dispositifs d'agitation sont bien connus de lthom- me de l'art et de praticien est libre de choisir le dispositif d'agitation, horizontal ou vertical, qui convient le mieux à son système particulier. On peut aussi faire varier la vitesse du dispositif d'agitation ainsi que la profondeur à laquelle il se trouve dans le liquide, pour réaliser des conditions optimales d'aération. En outre, on peut aussi convertir un dispositif d'agitation vertical en un dispositif de mélange et de propulsion en diminuant simplement la vitesse de rotation et en abaissant la profondeur d'insertion de l'hélice d'agitation. L'emplacement de l'entrée 12 dans le réservoir 10 dépend principalement des distances relatives entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24. Il faut donc noter que la distance entre le dispositif d'agitation 24 et l'entrée 12, dans la direction d'écoulement, doit être suffisante pour permettre une décomposition aérobie notable des eaux usées et aussi pour permettre à la décomposition aérobie de se porfsuivre jusqu'au oint où la teneur en oxygène du liquide est pratiquement épuisée. De même, la distance entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24, donc la section du réservoir 10 où se déroule le processus de dénitrification, doit être suffisante pour permettre une dénitrification appréciable avant une nouvelle aération.Aux fins de l'invention, on a déterminé que cette distance entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24 doit représenter au moins 10%, de la distance totale parcourue par les eaux usées pendant un cycle complet entre des aérations consécutives à l'endroit du dispositif d'agitation 24, soit au moins 10% du total comprenant (a) la distance entre le dispositif d'agitation 24 et l'entrée 12 et (b) la distance entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24, toutes deux étant déterminées dans la direction d'écoulement du liquide.Bien que la position de l'entrée 12 relativement à la sortie 26 ait des conséquences minimes, il est préférable que l'entrée 12 ne se trouve ni immédiatement avant la sortie 26 ni auprès de celle-ci, afin d'éviter de court-circuiter le procédé par suite d'une évacuation d'eaux usées non traitées. pratiquement, toute autre position dans le réservoir 10 est acceptable à condition qu'elle soit conforme à la distance prescrite entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24. Si on le désire, la zone de communication 22 peut êtie munie d un déflecteur régulateur dtécoulement 28 pour régler la direction et l'uniformité de l'écoulement. La sortie 26, située à la surface du liquide en circulation ou en dessous de celle-ci, mène au système de sédimentation 30. Le système de sédimentation 30 peut contenir des bacs de décanta- tion primaires et secondaires, des clarificateurs et/ou des épaissiseurs à boue supplémentaire etc. La boue activée provenant des eaux usées se décante dans le système de sédimentation 50 tandis que l'eau purifiée limpide déborde par les bords de sortie du système 30 et peut être directement déversée dans un cours d'eau adjacent ou être encore traitée chimiquement, clarifiée et stri- lisée dans un bac de décantation secondaire (non représenté,. La boue en suspension qui se dépose au fond du système 30 peut être totalement retirée ou bien on peut en recycler la majeure partie par le tuyau 34 et la ramener au réservoir 10 pour la mélanger au liquide qu'il contient.De la boue supplémentaire afflue par la rigole 32 à l'épaississeur à boue supplémentaire 36 et elle est ensuite évacuée. Si l'on met en relation les étapes de processus de la figure 1 et l'appareil représenté par la figure 2, on voit que du liquide frais non traité, c'est-à-dire le mélange d'eaux usées et d'eau qui reste après élimination des matières les plus lourdes des eaux usées, est envoyé au réservoir d'aération 10 par. l'entrée 12. Le liquide est mis en mouvement horizontal dans le réservoir et ensuite mis en contact avec le dispositif d'agitation 24 de sorte qu'il est aéré et continue son mouvement horizontal dans le réservoir. La décomposition aérobie qui se produit ensuite comporte la décomposition des composés organiques contenus dans les eaux usées en solides solubles et précipitables, eau et anhydride carbonique. Cet aspect du procédé sert à fournir une source d'énergie primaire pour un développement supplémentaire de bactéries.Un autre processus bactérien conduit à la convertion de la teneur en ammoniac en nitrates qui restent dans le liquide sous forme de composés azotés dissous. Il faut noter que les bactéries destinées au processus ci-dessus se fixent au floc de boue formé à partir de la quasi-totalité des solides en suspension dans le liquide. Dans le système de sédimentation 30, le floc se décante sous la forme de boue qui, lorsqu'on la refoule vers le réservoir 10, fournit des bactéries d'un age moyen de 30 à 40 Jours. On laisse la décomposition aérobie se poursuivre jusqu'au point où la teneur en oxygène de ce liquide aéré est pratiquement épuisée. En ce point 12, on introduit des eaux usées fraîches non traitées dans ce liquide en mouvement afin d'amorcer le processus de dénitrification. Ainsi, les conditions qui règnent dans le réservoir au point d'addition du liquide frais, à savoir la présence de matière organique supplémentaire et l'absence pratique d'oxygène, sont idéales pour que les bactéries du liquide aéré satisfassent leur besoin d'oxygène en décomposant en leurs constituants élémen Lires les nitrates du liquide. Les bactéries consomment l'oxygène formé pour effectuer la décomposition aérobie des eaux usées nouvellement introduites. Il faut noter aussi que l'on obtient une dénitrification plus efficace en maintenant la température de l'eau au dessus de 70G environ. Le cycle de décomposition aérobie et de dénitrification se déroule de façon continue et à chaque cycle il se produit une certaine diminution de la quantité de matière organique, une certaine conversion d'ammoniac en nitrate dans la zone riche en oxygène du réservoir et une certaine élimination de nitrate dans la zone pauvre en oxygène du réservoir. Ce séjour moyen du liquide dans le réservoir est déterminé par le volume du réservoir et le débit auquel du liquide frais entre dans le réservoir et en sort. On obtient une décomposition et une dénitrification notables avec un temps de séjour d'environ 24 heures bien que lton puisse utiliser des temps plus longs et plus courts qui seront déterminés par le praticien. Par exemple, avec un réservoir dont la capacité de transport d'eaux usées correspond à 24 heures, l'entrée d'eaux usées supplémentaires entraîne l'évacuation d'eaux usées traitées ayant un âge moyen d'environ 24 heures. En ce temps, les eaux usées ont pu effectuer 50 à 100 cycles de décomposition aérobie et de dénitrification avant d'être évacuées. En outre, le volume et le débit d'évacuation d'eaux usées correspondent généralement au volume et au débit d'introduction d'eaux usées fraîches. Il faut noter que l'effluent évacué contient généralement au moins 90% environ de la concentration de nitrates produite par la décomposition aérobie de l'ammoniac dans le liquide éliminé par le procédé de l'invention . Il se produit une formation supplémentaire de nitrates chaque fois que lton soumet à l'aération les eaux usées nouvellement ajoutées mais grâce au fait que la quantité de ce liquide nouvellement ajouté est faible en comparaison de la quantité totale d'eaux usées présente dans le réservoir, la teneur eh nitrates de l'effluent ne dépasse pas, dans la plu part des cas, environ 10% de la teneur initiale en nitrate# fcrmée dans le liquide. Un avantage supp'émentaire du procédé de l'invention est que l'abaissement du pf qui accompagne habituellement la dénitrification ne se produit pas ici, vu l'absence de formation d'acide nitrique. De façon correspQnante, la formation de complexes solubles de phosphate de calalum qui se produit à des pH acides est rendue minimale dans ce système ce qui assure la présence d'une lus grande quantité de phosphate dans la boue que dans l'effluent. ne telle istribution de hosphates e:t d~si- rable étant donné ue l'absence de phosphates diminue notablement l'effet polluant de l'effluent.En conséquence, il y a maintenant davantage de phosphates et de solfies colloïdaux disponibles pour l'élimination en un processus de post-stérilisation que l'on effectue en ajoutant des sels de fer, du chlorure et d'autres floculants, de préférence au système de sédimentation sec##ndaire, sans ramener au réservoir aucune partie de la boue secondaire. Une variante de l'appareil de la figure 2 est représentée par la figure 5. Ainsi, l'appareil de la figure 2 est inchangé si ce n'est que la zone de communication 2 est murie d'un dispositif de mélange et de propulsion 38.Te dispositif de propulsion sert à mélanger les eaux usées nouvellement introduites aux eaux usées qui s'écoulent déjà dans le réservoir 10 et à maintenir le liquide en mouvement décantation notable de la boue mais il#n'assure pas l'aération de ce liquide. Lutant donné que le dispositif de propulsion 38 n'est pas une source d'aération supplémentaire, les distances relatives entre l'entrée 12 et le dispositif d'agitation 24 sont indentiques à celles qu'on a décrites à propos de la figure 2. Il faut noter que le dispositif de propulsion 78 peut être remplacé par un deuxième dispositif d'agitation comparable au dispositif 24 ce qui donne un apnareil comportant deux dispositifs d'agitation 24,38 et une entrée 12. En consécuence, les eaux usées rencontrent deux zones de décomposition aérobie et une zone de dénitrification à claque révolution dans le rt- servoir 1Ci Avec l'introduction d'une aération supplémentaire, il est essentiel que la distance entre ce deuxième point d'aération 38 et l'entrée 12 soit suffisante pour permettre une décomposition notable du liquide et un épuisement notable de l'oxygène et en même temps que la distance entre l'entrée et le dispositif d'agitation 24 soit suffisante pour permettre une dénitrification suffisante du liquide, soit au moins 10 % de la distance entre le dispositif d'agitation 28 et le dispositif d'agitation 24. En outre, l'un de ces dispositifs d1agi- tation, ou tous les deux, pourraient entre des groupes convertibles fonctionnant alternativement comme dispositifs de propulsion et de mélange et comme aérateurs, selon ce que désire le praticien. Une autre variante de l'appareil de l'invention est représentée par la figure 4. L'appareil contient un réservoir 40, une cloison 42 définissant des sections 44,46 qui communiquent dans les zones 48,50, une sortie 60 et un système de sédimentation 62 avec tuyau de retour de boue 64 et rigole à boue supplémentaire 66. La distinction fondamentale dans cet appareil est qu'il contient deux entrées 52, 54 et deux dispositifs d'agitation 56,58 qui ont la position relative voulue pour présenter les relations dimensionnelles mentionnées plus haut.Ainsi, la distance entre le dispositif d'agitation 56 et l'entrée 54 et la distance entre le dispositif d'agitation 58 et entrée 52 sont respectivement suffisantes pour permettre une décomposition aérobie notable des eaux usées et un épuisement notable de leur teneur en oxygène De même, la distance entre l'entrée 54 et le dispositif d'agitation 58 et la distance entre 11 entrée 52 et le dispositif d'agitation 56 sont respectivement suffisante pour permettre une dénitrification notable des eaux usées avant une nouvelle aération, ces dernières distances représentant chacune au moins 10 % de la distance entre les dispositifs d'agitation 56 et 58. Le procédé de l'invention, dans sa relation avec l'ap- pareil de la figure 4, comprend deux cycles aérobies de decompo- sition-dénitrification par révolution du liquide. Ainsi, les eaux usées peuvent entrer par l'entrée 54, êtremises en mouvement et aérées par le dispositif d'agitation @@, subir une décomposition aérobie et un épuisement de l'oxygène dals la zone du réservoir entre le dispositif d'agitation 58 et l'entrée 52, se mélanger à un supplément d'eaux usées fraîches introduites par l'entrée 52, subir une dénitrification dans la zone comprise entre l'entrée 52 et le dispositif d'agitation 55, subir une nouvelle aération à l'endroit du dispositif d'agitation 56, subir une nouvelle décomposition aérobie entre le dispositif d'agi- tation 56 et l'entrée 54, se mélanger à des eaux usées fraîches introduites par l'entrée 54 et subir une nouvelle dénitrification ce cycle se poursuit alors en continu. L'évacuation des eaux usées traitées commence au moment approprié du processus d'ensemble. Bien entendu, on peut apporter d'autres modifications aux appareils de l'invention, décrits ci-dessus. Par exemple, on peut utiliser un réservoir non cloisonné à un seul passage au lieu du réservoir cloisonné préférentiel. De#même, on peut utiliser un réservoir à plusieurs sections ou bien plusieurs réservoirs d'aération reliés en série, au lieu du réservoir d'aération unique à deux sections. Le réservoir d'aération peut étire muni de n'importe quel nombre de dispositifs de dispositifs d'agitation et de propulsion qui peuvent être montés en divers points du réservoir et aussi de n'importe quel nombre d'entrées et de sorties et il est simplement nécessaire de maintenir les distances voulues pour la décomposition aérobie et la dénitrification.En outre, l'entrée peut être disposé de manière à injecter le liquide non traité dans le sens d'écoulement du liquide aéré. De cette manière, une plus grande impulsion est donnée au mouvement du liquide dans le réservoir. D'autre part, une injection à l'envers du sens d'écoulement assure une agitation et un mélange plus rapide d'eaux usées fraîches au liquide en circulation. Des déflecteurs peuvent être placés dans le réservoir auprès des dispositifs d'agitation et/ou dans les zones de communication des sections cloisonnées de manière à augmenter l'aération du liquide, à faciliter le mouvement de celui-ci et à diriger son écoulement.In outre, le réservoir peut être muni de dispositifs de chauffage et/ou de revêtements isolants de manière à augmenter la O39 duprocessus et à maintenir aussi une vitesse appropriée lorsqu'@ opère à de plus basses tempéra- A titre d'exemple concret du procédé de l'invention, utilisant l'appareil de la figure 3, oiintroduit des eaux usées dans un réservoir présentant un seul parcours horizontal en boucle fermée de 230 m, muni de dispositifs d'agitation et de propulsion et on leur imprime un mouvement à une vitesse minimale de 24 à 30 cm/s. L'aérateur bat de l'air dans les eaux usées à raison d'environ 0,9 à 1,8 kg/ch d'oxygène.On-a déterminé que l'oxygène fourni par l'aérateur est pratiquement consolé en 8 à 12 minutes par les bactéries du liquide. A ce niveau de consommation notable d'oxygène, on introduit un supplément d'eaux usées fraîches pour la réaction de dénitrification. On mélange alors le liquide et on le maintient en mouvement au moyen d'un dispositif de mélange et de propulsion.On estime ue le séoour moyen, dans le réservoir, du liquide qui subit une décomposition aérobie et une dénitrification continues est d'environ 24 heures L'analyse de l'effluent après la sédimentation et le recyclage d'environ 50 %; de la matière solide retirée de celui-ci permet d'estimer que plus de 90 f environ de teneur en nitrates engendrée dans le liquide sont éliminés pendant le precessus. Pour résumer, il faut noter que l'invention fournit un procédé et un système efficaces de traitement des eaux usées, permettant un travail continu et assurant une décomposition maximale de la matière organique des eaux usées ainsi qu'une élimination pratique des polluants virtuels qui sont habituellement déversés dans les cours d'eau etc. On a décrit l'invention à propos des modes d'exécution concrets mais il est entendu que l'on peut les modifier sans s'écarter du cadre de l'invention. EVDICTICN Procédé continu de traitement par boue activée des eaux usées, caractérisé par le fait que, de façon continue, on injecte des eaux usées brutes dans un réservoir présentant une seule boucle de parcours fermée horizontale, on aère le liquide dans ce parcours pour favoriser la décomposition aérobie des eaux usées et la formation de nitrates dans le liquide, on fait circuler le liquide aéré dans le parcours sur une première distance où la décomposition se déroule jusqu'à ce que le liquide soit pratiqueinent dépourvu d'oxygène au point d'injection des eaux usées brutes, que l'on fait circuler dans le parcours le liquide contenant des nitrates et les eaux usées brutes, sur une deuxième distance où la dénitrification se déroule dans le liquide jusqu'à ce qu'il atteigne le point d'aération suivant du parcours, que l'on retire en continu le liquide traité, pour le clarifier et décanter la boue qu'il contient, à un débit représentant# approximativement le débit d'injection d'eaux usées brutes, que l'on déverse l'effluent liquide clarifié ainsi obtenu et que lton ramène au liquide du réservoir au moins une partie de la boue décantée, la deuxième distance représentant au moins 10 ek environ de la somme des première et deuxième distances.