Brevet FR2396727A1 — publié le 19790202

La présente invention concerne un procédé pour ltépuration, par voie biologique, des eaux usées, et plus spécialement des eaux usées domestiques. On sait que le processus d'épuration, par vae biologique, de telles eaux consiste essentiellement à faire appel à des microorganismes aérobies (bactéries, notamment) pour provoquer, en milieu aéré, d'une part, la dégradation des matières organiques contenues dans les eaux à traiter et, d'autre part, la transformation des matières azotées contenues aussi dans ces memes eaux, d'abord en azote ammoniacal, puis en azote présent sous forme de nitrites, ensuite sous forme de nitrates. I1 est connu que lorsque lton soumet une eau polluée renfermant ces matières carbonées et azotées à une atmosphère oxygénée, l'air par exemple, il intervient-une première consommation en oxygène par certaines catégories de microorganismes, dégradant, comme dit plus haut, les matières organiques, ces microorganismes formant alors progressivement des boues biologiques constituées d'amas de microorganismes qu'il convient, pour partie au moins, d'éliminer du milieu; puis il se manifeste une seconde consommation du gaz oxydant, consommation qui, on l'a dit aussi, correspond, sous l'intervention autres catégories de microorganismes, à la transformation de l'azote ammoniacal contenu dans les matières initiales en dérivés nitrates, opération appelée nitrification, Les bactéries qui entrent en action ne sont donc pas les mêmes : les premières nécessitent, pour se développer, une moins grande quantité dloxygène que les secondes et, par ailleurs, elles se multiplient plus rapidement que les autres, lesquelles #d'ailleurs ne prolifèrent pas convenablement lorsque les premières sont en phase de croissance. La nitrification ne se manifeste vraiment que lorsque la plus grande partie des matières carbonées ont été dégradées.Pratiquement, donc, pour réaliser la nitrification, des conditions biologiques doivent etre réunies pour que les bactéries effectuant l'oxydation des matières carbonées soient en quantités telles qu'elles ne genent pas l'action des bactéries nitrifiantes, Il faut donc que la majeure partie des matières carbonées contenues initialement dans les eaux aient été éliminées et que les boues résultantes aient été séparées. Par ailleurs, la nitrification se traduit par une acidification du milieu et, par conséquent > par une diminution de l'alcalinité des effluents, alcali- nité qui, lorsqu'elle devient nulle, empêche la poursuite de la nitrification. Pour réaliser toutes ces conditions, dans les procédés utilisés actuellement, on ne travaille généralement que sous de faibles charges (quantités de DB05 - cf. Ci-après - par rapport à la quantité de microorganismes), mais il en résulte la nécessité d'utiliser des appareillages de dimensionnements importants. En outre, l'efficacité du procédé diminue fortement lorsque la température s'abaisse et lorsque les variations d'amplitudes de débit et de charges sont importantes. Le procédé dit des boues activées, lorsqu'il fonctionne sous hautes ou moyennes charges (c'est-à-dire pour des charges massiques d'au moins ors 3 kg de DB05 - cf. Ci-apres-par kg de matières volatiles en suspension), est souvent complété par une opération supplémentaire effectue également en boues activées, mais après décantation, ce qui réduit considérablement la concurrence des bactéries hétérotrophes pour le carbone et pla ce les bactéries nitrifiantes en mesure de prolifération. Mais, en agissant ainsi, on doit effectuer une décantation finale pour séparer des boues nitrifiantes, en vue de leur recyclage. Le stockage des boues qui en résulte provoque fréquemment une dégradation de la qualité des effluents, ayant pour origine une dénitrification. Dans le procédé opérant sur des supports fixes ou mobiles, notamment sur une succession d'étages de disques rotatifs, la nitrification intervient seulement sur les derniers étages lorsque le dimensionnement de l'appareillage est important et que la concurrence exercée par les bactéries oxydant les matières carbonées est faible.La littérature déclare que le processus de nitrification démarre lorsque la Demande Biologique en Oxygène sur 5 jours (D305) de l'effluent atteint environ 30 mgfl. Mais pratiquement, les boues produites en début Ae traitement sont un élément de pollution organique lorsqu'elles sont transXrées sur les étages suivants et elles constituent un facteur de concurrence vis-à-vis des bactéries de nitrification qui travaillent dès lors dans de mauvaises conditions, donnant un rendement non satisfaisant. ll est aussi connu, pour ce second procédé, d'effectuer une décantation en cours de traitement, mais l'objet de cette opération a essentiellement pour but de séparer, dans la phase d'oxydation, certaines bactéries hétérotrophes qui, en milieu de concurrence avec d'autres bactéries hétérotrophes, produisent des boues difficilement séparables d'avec l'effluent La présente invention a pour objet un procédé qui présente des améliorations sensibles par rapport aux procédés existants, notamment pour ce qui a trait à l'efficacité de l'ensemble des opérations et aussi aux coûts de l'appareillage nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé.Ce procédé permet aussi de maftriser la diminution de l'azote organique et ammoniacal des eaux résiduaires, plus spécialement de celles à caractère urbain, en procurant successivement aux deux catégories de germes épurateurs, hétérotrophes pour le carbone et nitrifiants, des conditions de milieu qui autorisent un métabolisme maximal à leurs optimums respectifs. L'invention consiste essentiellement en ce que, dans un procédé pour l'épuration, par voie biologique, des eaux usées, notamment de celles domestiques, procédé dans lequel, en milieu aéré, après éventuellement une décantation primaire, intervient d'abord, sous moyenne ou forte charge, une première phase d'oxydation de partie substantielle des matières organiques contenues dans lesdites eaux, en présence de microorganismes hétérotrophes pour le carbone, ensuite ioe décantation intermédiaire, enfin une seconde phase de nitrification de partie substantielle de l'azote contenu dans les susdites eaux, le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait qu'on effectue la nitrification sur au moins un support bactérien qu'en fonction de la concentration maximale B en DBO5 en fin de phase de nitrification, on détermine la concentration maximale A en DBO5 en début de cette phase, de façon que l'équation B s 0, 35 A + 9 soit satisfaite, cela pour une valeur de A inférieure à 100 mg/l et une charge en DBOS appliquée en phase de nitrification au plus égale à 6 g de DBO5/m2 par jour qu'on détermine le dimensionnement du support bactérien, à partir de la charge x en DB05 appliquée et du taux de nitrification y à atteindre, pour satisfaire à la relation approximative y = - 0, 25 x + 0, 5, x étant compris entre 1 et 4 g/m2 par jour et la température ambiante étant de 10 C, la valeur de y pour une température e autre que 1 00C étant déterminée par la relation approximative suivante 1,0725e - 10 y9 =0,212 . 1, y10 La phase de nitrification doit etre effectuée sur support bactérien qui peut etre de tout type approprié, soit fixe (lit bactérien), soit mobile, notamment alors sous forme de disques biologiques, à faible écartement, montés en un ou plusieurs étages. D'une manière ou d'une autre, en opérant conformément à l'invention, on constate qu'au sein des effluents, en début de la seconde phase opératoire, les bactéries hétérotrophes pour le carbone sont dans un milieu nutritionnel moins favorable à leur prolifération qu'au cours de la première phase, leur concurrence vis-à-vis des germes nitrifiants est plus faible. Ces derniers germes constituent dès lors une part très importante de la biomasse totale. Le processus de nitrification s'accompagnant dtune certaine acidité, il est important, pour la bonne marche du procédé, de surveiller l'alcalinité du milieu et de la corriger en conséquence. Cela, conformément à l'invention, peut etre fait en maintenant au moins égal à 7, 2 le rapport entre l'alcalinité exprimée en CaCO3 et la concentration d'azote à nitrifier exprimée en mgll. On a par ailleurs remarqué que la culture fixée au support favorise la multiplication des agents nitrifiants, meme aux basses températures, ce qui est éminemment favorable pour certaines conditions climatologiques. Quand on a recours aux disques biologiques rotatifs, on a noté que le film qui adhère à son support n'est pas détaché d'avec ce dernier, meme en cas de surcharges hydrauliques importantes. Lrage des boues biologiques engendrées au cours de la seconde phase étant élevé et les agents nitrifiants produisant peu de matière vivante font que le film, très peu épais, se minéralise de façon aérobie sur le disque lui-m8me, ce qui permet, d'une part, de limiter l'écartement des disques à 5 mm environ, du fait de cette très faible épaisseur des films (et l'on saisit de suite 1'intérêt de cette particularité sur le dimensionnement des appareils, donc l'importance pratique et économique qui en découle) et, d'autre part, en permettant de rejeter l'effluent traité directement dans le milieu naturel, de se dispenser, en fin de procédé, de séparer les boues biologiques en excès, Dans le procédé selon l'invention, les boues en excès, en fin de traitement, sont en très faibles quantités et présentent une pollution très faible, que l'on peut exprimer par B mgZl de DUOS, tandis que la pollution de l'effluent, au moment où il entame la phase de nitrification, est traduite par une DBO5 de A mg/l. La Demanderesse a observé que, pour une concentration A inférieure à environ 100 mg/l, la concentration résiduelle B, lorsque la charge en DBO5 est inférieure à 6g/m2 par jour, est liée à la concentration A par la relation approximative B = 0, 35 A + 9. Elle a aussi observé que le taux de nitrification (qui exprime, en g/m2 par jour, la quantité de nitrate synthétisé par unité de surface et de temps) est inversement proportionnel à la charge en DBO5 appliquée sur les disques biologiques. Ce taux de nitrification y, pour une température de 1 00C et une charge x en DBO5 comprise entre 1 et 4 g/m2 par jour dans la phase de nitrification, varie linéairement suivant approximativement l'équation y = - 0, 25 x + 0, 5. La Demanderesse a également trouvé une relation qui permet de déter- miner le dimensionnement à donner à l'étage ou aux étages de nitrification, et qui, pour une valeur de x comprise entre 1 et 4 g/m2 par jour et pour une température ambiante de l00C, relie la charge x en DBO5 appliquée et le taux de nitrification y à atteindra Cette relation, approximative, est la suivante ylO = - 0 > 25 x + 0,5. Quand la température ambiante est différente de lO C:, la Demanderesse a établi la valeur y correspondant à cette température : cette valeur est liée à celle valant pour 10 C par la relation y8 = 0,212 . 1,0725# - 10 . y10. Il est par ailleurs connu qulau cours de la phase de nitrification et paral lèlement à cette dernière opération proprement dit, une fraction de l'azote entrant dans l'étage de nitrification est éliminée. Cette fraction représente au moins 20 % de l'azote nitrifie pour des charges superficielles inférieures à 4 g DBO5 par jour, D'une manière ou d'une autre, en opérant comme il vient d'etre dit, on note un déroulement très satisfaisant du processus de nitrification, procurant un excellent rendement Sur le dessin ci-annexé, on a représenté,schématiquement, à titre d'exemple non limitatif, la suite des appareillages utilisés pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention Les eaux usées incidentes à épurer pénètrent suivant ot dans un décanteur primaire conventionnel 1.L'effluent, après décantation, est ensuite traité, en première phase d'oxydation, dans un compartiment biologique 2 fonctionnant à moyenne ou forte charge, par exemple par la méthode dite des boues activées. Les boues biologiques formées dans ce compartiment sont séparées des eaux partiellement traitées, dans un clarificateur 3, d'où elles sont évacuées en 3' pour etre traitées ultérieurement. Les eaux clarifiées sont ensuite envoyées dans un second compartiment biologique 4 à supports bactériens, de préférence du type à disques biologiques rotatifs comportant au moins un étage, compartiment dans lequel s'effectue la nitrification. Enfin, un dispositif d'alimentation 5 permet d'ajouter une source d'al- calinite, avantageusement du bicarbonate de sodium, à un niveau convenable de ce compartment, lorsque cela s'avère nécessaire, en opérant comme indiqué plus haut. L'effluent issu du compartiment 5 est ensuite rejeté suivants directement dans le milieu naturel. On va maintenant donner, à seul titre d'exemple, les facteurs principaux qui interviennent au cours d'une mise en oeuvre particulière du procédé selon l'invention. On est en présence dtun effluent d'eaux usées urbaines, présentant une DBO5 de 350 mgjl et une teneur en azote total de 60 mg/l. Le débit est de 150 1 par jour d'eau rejetée par usager, avec pointes de débit de 3 au cours de la journée, la température est de 10 C. On soumet tout d'abord cette masse de liquide à une décantation primaire classique effectuée en continu dans un appareil conventionnel I d'un volume d'environ 20 1 par usager, qui assure par lui-meme un rendement dé 25 % environ sur la DBO5. A la sortie du décanteur, la charge exprimée en DBO5 est donc d'environ de 39 g par usager, Quand au poids d'azote; il est devenu 8, 3 g par usager. On soumet l'effluent issu de la décantation primaire à une première phase, effectuée sur deux étages de disques biologiques, pour oxydation des matières organiques des eaux, lesdits étages étant dimensionnés pour éliminer environ 77 % de la DBO5 à la sortie du décanteur primaire, ce qui correspond sensiblement à 1, 7m2 par usager. A noter qu'une partie de l'azote des eaux est éliminée par synthèse au cours de la phase d'oxydation des matières carbonées ; elle est de l'ordre de 1, 5 g par usager. On envoie l'effluent émanant de ces étages dans un darificateur 3 travaillant en continu, d'un volume d'environ 30 1 par usager qui sépare les boues biologiques suivant 3'. La DBO5 est alors tombée à 60 mgXl. On termine la suite des opérations dans une seconde phase en envoyant la masse liquide dans un nouvel étage de disques biologiques rotatifs, dimensionnés sur une surface S qui, étant entendu qu'on surveille l'alcalinité du milieu et la corrige éventuellement comme indiqué plus haut, assure l'optimum de la nitrification cette surface est déterminée en fonction des relations indiquées ci-dessus pour procurer une charge résiduelle exprimée en DBO5 de 1, 5 g/m2 par jour et un taux de nitrification de 1,1 g NO /m2 par jour on trouve ainsi une valeur de 3, 8 m2 par usager, La surface totale des disques est donc, par usager toujours, de 1,7 7++3,8 8= 5, 5 m2. Si, toutes choses égales par ailleurs, on n'effectue pas de décantation intermédiaire entre la phase d'oxydation et celle de nitrification, la surface totale requise est d'au moins 10 m2 par usager. Point n'est besoin d'insister sur l'importance de la différence, REVENDICATIONS l - Procédé pour l'épuration, par voie biologique, des eaux usées, notamment de celles domestiques, procédé dans lequel, en milieu aéré, après éventuellement une décantation primaire, intervient d'abord, sous moyenne ou forte charge, une première phase d'oxydation de partie substantielle des matières organiques contenues dans lesdites eaux, ensuite une décantation intermédiaire des effluents, enfin une seconde phase de nitrification de partie substantielle des matières azotées contenues dans les susdites eaux, caractérisé par le fait - qu'on effectue la nitrification sur au moins un support bactérien, - qu'en fonction de la concentration maximale B en DBO5 à obtenir enfin de phase de nitrification, on détermine la concentration maximale A en DBO5 en début de cette phase de façon que l'équation B = 0, 35 A + 9 soit satisfaite, cela pour une valeur A inférieure à 100 mg/l et une charge en DBO5 appliquée en phase de nitrification au plus égale à 6 g de DBO5/m2 par jour, - qu'on détermine le dimensionnement du support bactérien à partir de la charge x en DBO5 appliquée et du taux de nitrification y à atteindre pour satisfaire à la relation approximative y10 = - 0,25 x + 0, 5, x étant compris entre l et 4 g/m2 par jour et la température ambiante étant de 1 00C > la valeur de y, pour une température e autre que lO0C étant déterminée par la relation approximative 9 - 10 vs 212 1, 0725 ~ y10 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au cours de la phase de nitrification, on maintient au moins égal à 7, 2 le rapport entre l'alcalinité exprimée en mg/l de CaCO3 et la concentration d'azote à nitrifier exprimé en mgll. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on utilise du bicarbonate de sodium. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue la phase de nitrification sur films biologiques mobiles. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on opère sur films en mouvement circulaire. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on dispose les fiers parallèles à une distance d'environ 5 mm. 7 - Procédé selon l'une des revendications 4à 6, caractérisé par le fait que l'on opère sur plusieurs films supportés par des disques parallèles montés en étages traversés successivement par les effluents.