Brevet FR2456712A1 — publié le 19801212

Laprésenteinvention est relative @ à un procédé pour lTépuration des eaux usées, en particulier des eaux usées urbaines, permettant ltélimination aussi bien de la pollution azotée que de la pollution carbonée, et à une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Depuis quelques années, en raison de l'accroissement de la pollution, on se préoccupe d'éliminer non seulement la pollution carbonée, mais aussi la pollution azotée des eaux usées. De nombreux procédés ontdéjà été proposés qui permettent cette élimination. Ils consistent àprovoquer, par voie biologique, au moyen de bactéries du genre Nitrosomonas et Nitrobacter, 1 a transformation de l'azote organique etammoniacal - la somme de ces deux formes constituant l'azote total Kjeldhal NTK - en nitrites puis en nitrates (phase de nitrification) puis àréduire ceux-ci avec élimizationde l'azote sous forme gazeuse (phase de dénitrification).L'épuration par boues activées se prête particulièrement bien à ltétablissement de ces deux phases successåves de nitrification etdénitrification, 12élimination de la pollution carbonée et la nitrification étanteffectuées simultanémellt. Or, on saitque ltoxydation biologique duNTK (somme de l'azote ammoniacal et deltazote organique) en nitrite puis en nitrate est due à l'activité de microorganismes, Nitrosomanaswet Nitrobacter, qui se caractérisent par le faitqu'ilsntont pas besoin de carbone organique pour vivre, mais seulement du carbone minéral (onditqutils sont autotrophes vis-à-vis du carbone) et par le faitqutils ont une vitesse de multiplication extrêmement lente. Par ailleurs, la pollution carbonée est éliminée par desmicroorganismes ntutilisant que le carbone organique: on dit qu'ils sont hétérotrophes vis-à-vis du carbone. Ces organismes hétérotrophes ont une vitesse de multiplication bien supérieure à celle des microorganismes nitrifiants.Quand les microorganismes hétérotrophes et autotrophes coexistent, les microorganismes hétérotrophesont donc tendance à éliminer progressivement du milieu les microorganismes autotrophes à développement plus lent. I1 stensuit une compétitionentre les deux sortes de microorganismes: pour répondre aux besoins de ltensemble, on est amené à disposer de volumes bien supérieurs aux volumes nécessaires à chaque sorte de microorganismes agissant séparé ment. La phase de dénitrification qui succède à la phase dtélimination de la pollution carbonée et de nitrification, transforme les nitrates en azote gazeux; cette réaction estdue à l'activitd dtun large éventail de microorganismes qui sont tous hétérotrophes, ctest-à-dire qu'ils ont besoin d'une source de carbone organique pour vivre, n'agissant qulenl'absence d'oxygène dissous (0, 5 mg/l) et ontune vitesse de multiplication très supérieure à celle des microorganismesnitrifiants. Le carbone organique ayant été éliminé au cours de la phase de nitrification, ces microorganismes dénitrifiants ont une crois sance entravée par l'absence de carbone organique et doivent utiliser leur propre réserve en carbone organique pour assurer la dénitrification. De façon classique le procédé est mis en oeuvre dans une installation dans laquelle l'eau à traiter passe successivement dans unpremier réacteur dans lequel s'effectuent l'élimination de la pollution carbonée et la nitrification, puis dans un second réacteur dans lequel s'effectue la dénitrification et enfin dans un clarificateur à partir duquel lteautraitée est récupérée, les boue s étant recyclée s dans le premier réacteur . Unautre procédé consiste à réaliser dans le même réacteur ltélirnina- tion de la pollution carbonée, la nitr ification etla dénitrification, en amenant l'eau à traiter à passer alternativement dans des zones de nitrification et de déntrification, le carbone organique n'étant pas éliminé totalement dans la zone de nitrification et servant de sourcede carbone aux bactéries dénitriiantes. Untroisième procédé consiste à utiliser, pour la dénitrification, le carbone organique contenu dans l'eau à traiter. L'installationcomporte alors un premier réacteur non aéré dans lequel steffectue la dénitrification de l'eau à traiter et un second réacteur aéré dans lequel steffectue la nitrification et ltélimination de la pollution carbonée qui nta pas été dégradée dans le premier réacteur; l'eau traitée passe ensuite dans un clarificateur.Les nitrates produits dans le sècond réacteur sont renvoyés dans le premier réacteur par recyclage d'une part de la liqueur mixte sortant du secondréacteur, d'autrepart des boues séparées de lteautraitée dans le clarificateur. En présence du carbone organique présent dans l'eau à traiter ces nitrates sont réduits en azote gazeux dans le réacteur de dénitrification. La caractéristique de ces différents procédés est queles boues biologiques formées constituent un système boueuxunique qui se trouve alternativement enprésenceet en absence d'oxygène etassure les trois fonctions : nitrification, dénitrification et élimination de la pollution carbonée. I1 en résulte un inconvénient majeur qui estla coexistence dans un même réacteur de microorganismes autotrophes nitrifiants et de microorganismes hétérotrophes responsables de lXélimination de la pollution carbonée: la compétition entre ces différents microorganismes entraîne un surdimensionnement des réacteurs. La présente invention concerne un procédé qui pallie cet inconvénient; évitant de mettre en compétitiondans un même réacteur des bactéries autotrophes de nitrification et des bactéries hétérotrophes, il autorise des volumes de réacteur beaucoup plus réduits que ceux des procédés classiques. T1 présente en outre d'autres avantages, tels que faible quantité dSéner- gie mise en oeuvre et efficacité de la dénitrification. Le procédé suivant ltinvention consiste à faire passer successivement l'eau à traiter dans deux systèmes séparés contenantdes cultures bactériennes différentes, le premier à3xase de bactérieshétérotrophes réalisantdans ce premier système, en anoxie, une élimination de la pollution carbonée et une déntrification, le seconda base de bactéries autotrophes réalisantdans le second système la nitrification de la pollution azotée, l'eaunitrissée sortant du second système étant recyclée dans le premier système de dénitrification, les boues de chaque système étant séparées et suivantdes circuits indépendants ltun de lsautre. Dans le premier système, en anoxie, les bactéries hétérotrophes réa lisentd'une part l'éliminationde la pollution carbonée et d'autre part ladéni- trification; quand ltessentiel de la pollution carbonée et des nitratesprésents est éliminé, les boues contenantles bactéries hétérotrophes sontséparées de l'eau en cours de traitement et renvoyées en tête de la dénitrification; lteau est alors soumise à l'action des bactéries autotrophes du second système qui réalisent la nitrification; ; lgeau nitrifiée est recyclée dans le système de dénitrification de façon que les nitrates soient présents dans le système en quantité suffisante pour assurer ltélimination totale de la pollution organique carbonée par les bactéries hétérotrophes. Les boues séparées de lteautraitée, et contenant les bactéries autotrophes sont éliminéesou recyclées en tête du second système. L'installation pour mettre en oeuvre le procédé suivant ltinvention est caractérisée en ce qu'elle comporte successivement un premier réacteur, fonctionnant en anoxie, associé à un premier clarificateur, avec recyclage des boues du clarificateur vers le premier réacteur, et un second réacteur fonctionnant en aérobiose, associé à un second clarificàteur à partir duquel l'eau traitée est recyclée vers le premier réacteur, les boues étant évacuées ou recyclées vers le second réacteur. Suivant une forme de réalisationde ltinvention, le second réacteur consiste en un bassin de boues activées; suivant une autre forme de réalisation de ltinvention, le second réacteur consiste en un lit bactérien. Les divers caractéristiques et avantages de l'invention ressortirontde la description quiva suivre, faite en référence aux dessins schématiques annexés, de deux de ses formes de réalisation possibles. I1 est bien précisé qu'il s'agit uniquement d'exemple s et que toutes autres dispositionspourraient entre adoptées sans sortir du cadre de lXinvention. Lteau à traiter est introduite dans un premier réacteur 1, fonctionnant en anoxie, dloù elle passe dans un clarificateur 2 à partir duquelles boues contenant des bactéries hétérotrophes sont en partie recyclées par la canalisa tion 3 dans le réacteur 1, les boues en excès étant éliminées en 4. L'eau dénitrifiée est introduite dans un second réacteur - bassin de boues activées 5, suivant la figure 1; lit bactérien 5a, suivantla figure 2 -.Suivant la forme de réalisation de la figure 1, l'eau sortant du bassin de boues activées 5 passedans un clarificateur 6 à partir duquellteau traitée contenant une quantité importante de nitrates est recyclée en 7 dans le premier réacteur où elle est dénitrifiée et où, grâce aux nitrates présents, lesbactéries hétérotrophes assurentl'élimination totale de la pollution carbonée . Les boues sortant du clarificateur et contenant-les bactéries autotrophes sont en partie recyclées par la canalisation 8 dans le bassin de boues activées, les boues en excès étant éliminées en 9.Le recyclage delteau traitée après clarification permet d'évitez un recyclage de microorganismes autotrophes présents dans la liqueur avant clarification. Suivant la forme de réalisation représentée à la figure 2, l'eau sortant du lit bactérien 5a est recyclée parla canalisation 7a vers le premier réacteur 1 où elle est dénitrifiée et où, grâce aux nitrate s présents, ltélimination totale de la pollution carbonée est réalisée par les bactéries hétérotrophes. L'eau traitée est séparée des boues dans un clarificateur, ces boues étant éliminées en 9. L'eaurecycléene risque pas, dans ce cas, de contenir des bactéries autotrophes, les microorganismes restant fixés sur le lit bactérien. Exemple Ona comparé les résultats obtenus entraitant une même eau résiduaire urbaine parune installation pilote classique, dans une disposition comportant deux réacteurs disposés en série, le réacteur fonctionnant en anoxie entête, mais un seul système boueux, et par une instaJlation pilote mettant en oeuvre le procédé suivant ltinvention, dans la disposition comportant un bassin de boues activées pour la nitrification et deux systèmes boueux séparés. Les essais ontduré plusieurs mois; la temperature dans les différents réacteurs était delbrdre de 17 C. Les conditions de fonctionnement des deux instailations et les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-dessous. L'installation A est l'ins- tallation classique comportant deux réacteurs, mais un -seul système "boueux"; ltinstallation B est ltinstallation suivant l'invention. I Conditions de fonctionnement | A | B Temps de Séjour de l'eau en anoxie 3 à 4 heures 2heures (ler réacteur) Temps de séJour de l'eau en aération 6 à 10 heures il 5heures (2ème réacteur) % de recyclage des boues 100 ffi en tête 100 sur cha @ue système % de recyclage de la liqueur mute 300 % @ de recyclage d'eau traitée | | 400 % Vitesse ascensionnelle sur le clarifi- 2 m/h cateur du premier réacteur Vitesse ascensionnelle sur leclarifi- cateur disposé à la suite du réacteur 0, 30 m/h 0, 50 m/h fonctionnant en aérobiose L#eau à traiter contenait 394 mg/l de DCO, 215 mg/lde MeS et 56 mg/l d'azote total. Après nitrification-déntrification, on a obtenu, pour des quantités équivalentes de DCO et de MeS, une quantité d'azote, sous forme de nitrates, de 5, 5 mg/l suivant le procédé conforme à lrinvention, alors que la meme quantité stélevaità 13 mg/l par le procédé classique, soit une amélioration très importante du résultat obtenu par rapport à ce dernier procédé. Enoutre, le temps de séjour de lXeau à traiter s'établissait entre 2 et 5 heures dans le procédé suivant ltinvention, au lieu de 3-4 à 10 heures dans le procédé classique. Cette réduction considérable du temps de séjour de l'eau à traiter permet de réduire dans le s meme s proportions le volume de s réac- teurs utilisés, d'où une économie fort importante surle côut de l'installation et sur son entretien. REVENDICATIONS ) Procédé pour l'élimination de la pollution carbonée et azotée des eaux usées par nitrification-dénitrification au moyen de bactéries hétérotrophes et autotrophes, caractérisé en ce que l'eau à traiter est amenée à passer successivement dans deux systèmes séparés contenantdes cultures bactériennes différentes, le premier à base de bactéries hétérotrophes maintenues en anoxie réalisant une élimination de la pollution carbonée et une dénitrification, le second, fonctionnant en aérobiose, à base de bactéries autotrophes, réalisant la nitrification de la pollution azotée, l'eau nitrifiée sortant du second système étant recyclée dans le premier système de dénitrification. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les boues de chaque système sont séparées et parcourent des circuits indépendants pour être, éventuellement, ramenées, celles contenantdes organismes hétérotrophes, au premier système, fonctionnant en anoxie, celtes contenant des organismes autotrophes, au second système, fonctionnant en aérobiose. 3)Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelcon que des revendications précédentes, comportant, disposés en série et successivement, un réacteur de dénitrification en anoxie etun réacteur aéré de nitrification fonctionnant en aérobiose, caractérisée en ce que le réacteur fonctionnant en anoxie est associé à un clarificateur à partir duquelles boues contenant les bactéries hétérotrophes sont recyclées sur le réacteur fonction nant en anoxie, ce réacteur recevant également lteaunitrifiée recyclée à sa sortie du réacteur fonctionnant en aérobiose. 4) Installation suivant la revendication3, caractérisée en ce que le réacteur fonctionnant en aérobiose est un bassin à boues activées, lleau nitrifiée sortant de ce réacteur étant clarifiée avantd'être recyclée dansle réacteur fonctionnant en anoxie. 5) Installation suivant ltune quelconque des revendications 3 et4, caractérisée en ce que le réacteur fonctionnant en aérobiose est un lit bactérien, l'eau nitrifiée étant recyclée dans le réacteur fonctionnant en anoxie avant a clarification.