Brevet FR2434122A1 — publié le 19800321

La présente invention se rapporte à l'épuration des eaux usées et a notamment pour objet un procédé d'épuration biologique des eaux usées en vue de les débarrasser plus particulièrement des nitrates et des nitrites, ainsi que des composés organiques. Elle peut être utilisée aussi bien dans l'industrie chimique que dans d'autres domaines industriels. On connatt un procédé d'épuration biologique des eaux usées, visant~ à les débarrasser des nitrates et/ou des nitrites et des composés organiques par traitement de l'eau usée à la boue activée dénitrifiante. Dans le systeme d'épuration, la valeur du pH est maintenue dans les limites de 7 à 9. La durée du contact est de 24 heures. Le degré d'élimination des composés contenant de l'azote est de 84 à 94%. L'inconvénient du procédé mentionné réside dans la longue durée du processus de dénitrification et dans le fait que le degré d'élimination de l'azote des nitrates et des nitrites n'est pas suffisant. Est également connu un procédé d'épuration biologique des eaux usées, dans lequel on effectue une nitrification suivie d'une dénitrification, ces deux opérations étant réalisées séparément. tes eaux usées sont soumises à un traitement séparé (comprenant plusieurs stades) à la boue activée dans des conditions anaérobies et aérobies. tes inconvénients de ce procédé consistent en ce que le mode opératoire comprend plusieurs stades, que le processus nécessite un temps prolongé et que les stades dudit procédé sont peu efficaces. Le but de laprésente invention est d'éliminer les inconvénients précités. On s'est propose pour cela de mettre au point une technologie d'épu- ration des eaux usées qui permettrait d'en éliminer en même temps les concentrations élevées en ions ammonium, en ions urée, en nitrates, nitrites et en composés organiques susceptibles d'être oxydés biologiquement, et ce, avec un haut degré d'épuration des eaux usées. Ce probleme est résolu du fait que le procédé d'épuration biologique des eaux usées en vue de les débarrasser des nitrates et/ou des nitrites et des composés organiques, par traitement desdites eaux avec de la boue activée, est caractérisé, selon l'invention, en ce que le traitement des eaux usées est effectué avec addition d'ions ammonium et/ou d'ions urée, la concentration #de L'oxygène dissous étant comprise entre 0,1 et 4jO'mg/I La présence d'oxygene dissous dans le systeme d'épuration des eaux usées assure le déroulement simultané d'un processus de nitrification et d'un processus de dénitrification, ce qui rend la technologie beaucoup plus simple. Lorsque la concentration de l'oxygene dissous est inférieure à 0,1 mg/I, les processus de nitrification de l'azote de groupe ammonium ou azote ammoniacal, dénommé dans ce qui suit "azote d'ammonium", contenu dans les eaux usées, sont freinés, tandis que les processus de dénitrification se déroulent d'une façon active. Lorsque la concentration des eaux usées en oxygene dissous est supérieure à 4 mg/l, les processus de dénitrification sont freinés, tandis que les processus de nitrification prévalent, et il se produit une-transforma- tion del'azote d'ammonium en azote nitrique. Dans les limites proposées des concentrations de l'oxygène di#ssous, comprises entre 0,1 et 4 mg/l, les deux processus, celui de la nitrification et celui de la dénitrification, se déroulent simultanément. Cela est confirmé par le haut degré d'élimination de l'azote d'ammonium et de l'azote nitrique contenus dans les eaux usées, ainsi que par la présence, dans la boue activée, de bactéries nitrifiantes de la I-ere et de la II-ème phase de nitrification et de bactéries de dénitrification se trouvant dans des conditions de vitalité favorables. Il est avantageux de conduire le processus en présence de composés biogènes du phosphore. Lors de l'oxydation des substances organiques par les microorganismes, obtenue grâce à l'oxygène dissous dans -l'eau usée, ainsi que grâce à l'oxy- gène contenu dans les nitrates et nitrites, il se libère une énergie que les cellules des microorganismes ##utilisent pas tout de suite, mais qui s'accumule dans les liaisons macroargiques de l'adénosine-triphosphate. L'énergie de ces liaisons est utilisée par les cellules dans divers processus de leur activité vitale, se transforme en d'autres formes d'ener- gie, par exemple en énergie thermique, mécanique, électrique, et est utilisée aussi pour les processus de synthese. t'intensité de la respiration des microorganismes et par conséquent, l'intensité de ltoxydation des composés organiques peuvent être augmentées par addition au milieu nutritif de composés biogènes contenant du phosphore. Simultanément avec l'intensification de la respiration on observe une diminution des composés biogenes du phosphore et une synthèse de l'adénosinetriphosphate. L'addition au milieu nutritif des composés biogenes du phos phore augmente la consommation d'oxygène par les tissus des microorganismes, Il est préférable d'utiliser en tant que composés biogènes du phosphore le superphosphate, le phosphate trisodique. Il est avantageux d'introduire les composés biogènes du phosphore en quantités allant jusqu'à 200 mg/l. Il est utile d'ajouter les ions ammonium et/ou les ions urée à raison de IO à 1000 mg/l. Le procédé proposé d'épuration des eaux usées en vue d'en éliminer l'azote et les matières organiques est effectué dans des limites de valeurs de pH allant de 4 à 12. Cette large plage de valeurs du pH du milieu dans lequel sont réalisées la nitrification et la dénitrification s'explique par les particularités desdits processus. Au cours du processus de dénitrification il se produit une alcalinisation du milieu réactionnel, due à la formation d'hydrates d'oxydes de me-- taux alcalins: potassium, sodium, calcium, ou de leurs carbonates, Par exemple: 5C6H1206 + 24EN.% = 24KHC03 + 6C02 + I2N2 + I8H20 (I) + énergie t'intensité de l'alcalinisation est fonction de la concentration des nitrates à réduire: plus la concentration en azote des nitrates est élevée, plus faible est la valeur admissible du pH de l'eau qui arrive. Au cours du processus de nitrification il se produit une acidification du milieu, due à la formation d'acide nitrique et d'acide nitreux. 2NH3 + 302 2 2HN02 + 2H20+ énergie (2) 2HN02 + 02 = 2HN03 + énergie (3) Par conséquent, plus la concentration de l'eau à épurer en ammoniac est importante, plus la valeur admissible du pH est élevée. L'alcalinisation du milieu au cours de la dénitrification et l1acidifi- cation du milieu au cours de la nitrification permettent le déroulement du processus dans les limites de pH indiquées. Le procédé proposé d'épuration biologique des eaux usées est mis en oeuvre de la façon suivante: Dans un réacteur du type réservoir d'aération ("aerotank") contenant de la boue activée, on introduit des eaux usées dont la valeur du pH est de 4 à I2 et qui renferment des nitrates et/ou des nitrites et des composés organiques qui sont susceptibles d'être oxydés biologiquement, on y ajoute des ions d'ammonium et/ou d'urée et on les aère à lsair dans les limites de 0,1 à 4mg/l d'oxygène dissous. Après la mise en contact des eaux usées avec la boue activée, celle-ci est amenée à un bac décanteur. Après décantation, la boue activée retourne dans le processus, tandis que l'eau épurée est évacuée du système et, -en cas de nécessité, est soumise à une épuration complèmentaire. En fonction de la concentration en impu retés des eaux usées à épurer, la durée du contact avec la boue activée peut varier dans les limites de 1 à 25 heures. tes concentrations de l'eau usée à épurer en nitrates et/ou nitrites et en composés organiques dépendent de la concentration des ions ammonium et/ou des ions urée ajoutés (ceux-ci étant introduits à raison de 10 à 1000 mg/l), et de la concentration d'oxygène dissous dans le système, maintenue de préférence dans les limites de 0,1 à 4 mg/l. Afin de rendre le processus d'oxydo-réduction plus intense, il est possible d'introduire des composés biogènes du phosphore en quantités allant jusqu'à 200 mg/l. Suivant la technologie d'épuration biologique des eaux usées décrite ci-dessus, deux processus se déroulent simultanément: une nitrification et une dénitrification Au cours du processus de nitrification l'oxydation des ions d'ammonium jusqu a l'obtention de nitrates s'effectue en deux phases selon les réactions (2) et (3). La première phase du processus s'effectue grace aux bactéries de ##es- pèce Nitrosomonas, tandis qu'au cours de la seconde phase interviennent les bactéries de l'espèce Nitrobacter. La dénitrification est un processus biochimique de réduction des nitrates en azote élémentaire par les bacteries denitrifiantes. tes bactéries dénitrifiantes sont des anaérobies facultatifs. Suivant leur mode d'alimentation les bactéries dénitrifiantes sont des hétérotrophes. A la suite de la réduction des nitrates les bactéries dénitrifiantes reçoivent de l'énergie. Grâce à la réduction des nitrates elles oxydent les matières organiques en libérant ltenergie nécessaire à leur vitalité, c'est-à-dire que la réduction bactérienne des nitrates est liée à une oxydation de substrat et revient essentiellement à utiliser l'oxygène des nitrates en tant qu'accepteur d'hydrogène, au lieu de l'oxygène de l'air. Ce processus d'oxydoléduction compliqué peut être exprimé sous une forme générale par l'équation suivante (4): 4 NO3 + 24 H+ = I2H20 + 2N2 (4) Ledit processus se caractérise par un dégagement abondant de gaz C02 et N2 et par une alcalinisation du milieu grâce à la formation de carbonates. En cas d'absence de sels d'acide nitrique les bactéries peuvent, en règle générale, utiliser l'oxygène dissous. Cela s'explique par le fait que les bactéries dénitrifiantes renferment dans leurs cellules deux systèmes de ferments: l'un desdits systèmes est un système respiratoire ordinaire se composant d'oxydases et de déhydrases, tandis que le second système est un système spécifique se composant de déhydrases et d'enzymes particuliers qui activent l'oxygène des nitrates: de nitrate-réductases. tes deux systèmes defermentspeuvent fonctionner simultanément, et ce sont seulement la nature chimique du donateur d'hydrogène et la pression partielle de l'oxygène dissous qui déterminent le système qui est prédominant. Il existe actuellement en exploitation une installation pour l'épura tion d'eaux usées contenant des ions ammonium et des ions urée, des nitrates, des nitrites et des composés organiques. L'exploitation de ladite installation durant une année a permis de constater la stabilité de son fonctionnement et la haute efficacité de I'épuration des eaux usées industrielles. Ci-dessous est donnée la composition approximative des eaux usées soumises à l'épuration: Demande biochimique en oxygène (DB020) ..... 4000 à 8000 mg/l; N03 .... 2600 à 4400 mg/l; 200 ....200à I60 mg/l. Degré d'épuration obtenu: Demande biochimique en oxygène ... 95 à 98% NO3 .... 99% N La durée de contact de l'eau usée avec la boue activée peut aller jusqu'à 8 heures. Le procédé proposé permet, en comparaison des procédés connus: - d'effectuer simultanément l'élimination des ions d'ammonium, d'urée, des nitrates, des nitrites et des composés organiques avec un haut degré d'épuration des eaux usées; - d'épurer les eaux usées dans une large plage de valeurs de pH; - d'épurer des eaux usées ayant une concentration élevée en impuretés,# ce qui donne la possibilité de réduire la consommation des eaux à faible concentration en impuretés nécessaires à leur dilution et de diminuer les aires destinées aux installations d'épuration; - de rendre plus# intense le processus d'épuration biologique des eaux usées; - de prévenir pratiquement la contamination des bassins d'eau par les composés dede-l'azote. La présente invention ressortira mieux à la lecture des exemples concrets mais non limitatifs suivants de réalisation de l'invention. Exemple I Dans un réacteur dans lequel se trouve la boue activée on amène en continu de l'eau usée contenant 200 mg/l d'azote nitrique et d'impuretés orga niques (DBO = 2500 mg/l) et en même temps on y ajoute 40Q mg/l d'urée. La 20 mg/l) mg/l durée de contact de la boue activée avec l'eau usée est de 4,5 à 9 heures. Après le contact, la boue activée et le liquide épuré sont acheminés vers un décanteur, d'où la boue activée est ramenée dans le réacteur, en assurant la congentration requise, tandis que l'eau épurée est évacuée du système. La concentration de l'oxygène dissous est de 0,1 à 2,5 mg/l. La valeur du pH de l'eau arrivant à l'épuration est admise dans les limites de 7 à 9. Le degré d'élimination de l'azote nitrique et de l'urée par le procédé proposé est de 98 à 100%, celui de l'élimination des impuretés organiques est de 95%. Exemple 2 On effectue I'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans ltexem- ple 1, la teneur de l'eau usée en azote nitrique étant de 700 mg/l, celle en impuretés organiques (DB020), de 6000 mg/l, et on y ajoute 200 mg/l d'azote d'ammonium. La valeur du pH de l'eau usée arrivant à l'épuration est admise dans les limites de 4 à 8. La concentration de l'oxygène dissous est de 0,1 à 2,5 mg/l. La durée de contact de l'eau usée avec la boue activée est de I2 heures. Le degré d'élimination de l'azote nitrique et d'ammo- nium est de 98 à I00%, celui des impuretés organiques est de 98%. Exemple 3 On effectue l'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans ltexem, ple 1. A l'eau usée à épurer contenant 700 mg/l d'azote nitrique et 6000 mg/l d'impuretés organiques (DB020) on ajoute 70 mg/l d'azote d'azmonium. La concentration de l'oxygène dissous dans le réacteur est comprise entre 0,1 et 1,5 mg/l, la valeur du pH, entre 4 et 6, la durée de contact de l'eau usée avec la boue activée étant de I2 heures. Le degré d'élimination de l'azote nitrique et d'ammonium est de 98 à Inox, celui des impuretés organiques est de 96%. Exemple 4# On effectue l'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans ltexem- ple 1. Dans l'eau usée arrivant à l'épuration et contenant 900 mg/l d'azote nitrique et 6500 mg/l d'impuretés organiques (DBO20) on introduit 100 ingil d'azote de groupe ammonium. On fait varier la concentration en oxygène dissous dans les limites de 0,7 à 3 mg/l, la valeur du pH de l'eau à épurer, de 4 à 7, la durée de contact de l'eau usée avec la boue activée étant de I2 heures. Le degré d'Elimination de l'azote nitrique et d'ammonium est de 98 à 100%, celui des impuretés organiques est de 95%. Exemple 5 On effectue l'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans l'exem- ple 1. A liteau usée arrivant à I'épuration et contenant 700 mg/l d'azote nitrique et 7000 mg/l d'impuretés organiques (DBO20) on ajoute 300 mgjl d'azote d'ammonium. La valeur du pH de l'eau arrivant à l'épuration est de 5 à 8. On fait varier la concentration de l'oxygène dissous dans les limites de 1,2 à 4 mg/l. La durée de contact de l'eau usée avec la boue activée est de I2 heures. Le degré d'élimination de l'azote nitrique et d'ammonium est de 99 à 100%, celui des impuretés organiques est de 95%. Exemple 6 On effectue l'épuration de liteau usée de la façon décrite dans l'exemple 1. A l1 eau usée arrivant à l'épuration et contenant 500 mg/l d'azote nitrique et 15000 mg/l d'impuretés organiques (DB020) on ajoute 1000 mg/l d'azote d'ammonium. La concentration de superphosphate indtroduit est de 200 mg/l; la concentration de l'oxygène dissous est de 2 à 4 mg/l, la valeur du pH de l'eau usée étant de 9 à 12. La durée de contact de l'eau usée avec la boue activée est de 25 heures. Le degré délimination de l'azote nitrique et d'ammonium est de 98 à 100%, celui des impuretés organiques est de 95%. Exemple 7 On effectue l'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans ltexem- ple 1. A l'eau usée contenant 2000 mg/l d'azote nitrique et 18000 mg/l d'impuretés organiques (du020) on ajoute 200 mg/l de phosphate trisodique et 400 mg/l d'azote d'ammonium. La concentration de l'oxygène dissous est de 0,1 et 2 mg/l, la valeur de pH de l'eau usée est de 4 à 5, la durée de contact de l'eau usée avec la boue activée est de 25 heures. Le degré d'élimination de l'azote nitrique et d'ammonium est de 98 à 99%, celui des impuretés organiques est de 96z. Exemple 8 On effectue l'épuration de l'eau usée de la façon décrite dans llexem- ple 1. A l'eau usée contenant 100 mg/l azote nitrique et 700 mg/l d'impu- retés organiques (DB020) on ajoute 10 mg/l d'azote d'ammonium. La concentration de l'G ygene dissous est de 1 à 2 mg/1, la valeur de pH de l'eau usée est de 8, la durée de contact de l'eau usée avec la boue activée est d'une heure. Le degré d'éliminationde l'azote d'ammonium et de l'azote nitrique est de 99 à 100%, celui des impuretés organiques est de 98%. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits qui n'ont été donnés qu a titre d'exemple. En particulier, elle comprend tout les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS I. Procédé d'épuration des eaux usées, en vue de les débarrasser des nitrates et/ou des nitrites et des composés organiques, par traitement desdites eaux à l'aide de boue activée, caractérisé en ce que ledit traitement est effectué avec addition d'ions ammonium et/ou d'ions urée, et à une concentration d'oxygène dissous comprise entre 0,1 et 4,0 mg/I. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise l'épuration en présence de composés biogènes du phosphore. 3. Procédé suivant l'une des revendicationsl et 2, caractérisé en ce qu'en tant que composés biogènes du phosphore on utilise le superphosphate, le phosphate trisodique. 4. Procédé suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les composés biogènes du phosphore sont introduits en quantités al- lant jusqu'à 200 mg/I. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à.4, caractérisé en ce que les ions d'ammonium et/ou d'urée sont ajoutés a raison de 10 à 1000 mg/l. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lton soumet audit traitement les eaux usées à pH de 4 à 12.