Brevet FR2450236A1 — publié le 19800926

La présente invention est relative à un procédé et un appareil de fil tration pour ltélimination de l'ammoniaque, ou nitrification des eaux contenant one quantité d'ammoniaque inférieure à 20 mg/l, en particulier des eaux destinées à l'alimentation. L'emploi, toujours accru, de produits azotés au-delà des possibilités de fixation et de rétention des sols, élève la teneur en azote des eaux de sur face destinées à l'alimentation, jusqu'à 20 mg/l en azote ammoniacal. Or la reglementation française exige que la concentration en ammoniaque des eaux destinées à l'alimentation soit inférieure à 0, 5 mg/l et conseille une teneur inférieure à 0, OS mg/l. n est donc indispensable d'éliminer l'ammoniaque de ces eaux. Pour des eaux faiblement chargées en ammoniaque, on utilise couram ment les procédés physico-chimiques tels que la chloration, mais ce procédé dtoxydation ne peut être appliqué à des teneurs en ammoniaque dépassant le mg/l, car son court devient alors prohibitif. Quantaux procédés par résines échangeuses d'ions, ils posent les problèmes de non-spécificité des ions éli minés, de relargage de matière organique indésirable, de régénération des résines employées et du traitement des éluats de régénération. Par ailleurs, il est bien connu d'utiliser des méthodes biologiques pour éliminer l'ammoniaque dans les installations de traitement d'eaux résiduaires par boues activées ou lit bactérien, comme décrit dans de nombreux articles tels que, par exemple - "Kinetics of microbial nitrification. Nitrate - nitrogen oxydation" de D. M. WONG CHONG et R. C. LOEHR, Water Research (1978), Vol. 12, N08 - Pages 605-609. - "Tzeatment of effluents from ammoniac" de F. G. NEYTZELL de WILDE, G. R. NURSE et J. GROVES, Water SA (1977), Vol. 3, N03 - pages 142-154. - "Nitrification with submerged filters", de R. T. HAUG, P. L. McCarty, J. W. P. C. F. (1972) 44, Nell, Novembre - pages 2086-2102. Les procédés de traitement par passage à travers un lit de boues activées sont difficiles à mettre en oeuvre pour la nitrification des eaux destinées à l'alimentation car, en raison de la relative lenteur du traitement, ils nécessi tent des volumes de stockage trop importants de liteau à traiter. Les procédés de filtration sur lits bactériens présentent l'inconvénient d'un colmatage rapide du lit si l'eau à traiter renferme une quantité importante de matières en suspension, ce qui est le cas des eaux de surface. La présente invention concerne un procédé qui est exempt de ces inconvénients. Ce procédé, dans lequel l'eau à traiter est amenée à traverser de bas en haut au moins un lit filtrant de matériau granulaire support de microorganismes bactériens, avec apport d'oxygène, est essentiellement caractérisé en ce que l'apport d'oxygène est effectué dans le courant d'eau à traiter avant son injection dans le lit de matériau granulaire, ce qui permet un déga gement d'oxygène sous forme de bulles entraînées par le courant d'eaux 8 tra- vers la masse filtrante sur toute sa hauteur. L'oxygène, ou le gaz contenant de l'oxygène, et l'eau à traiter sont introduits sous des débits respectifs favorisant la progression des bulles de gaz à travers le matériau filtrant. Suivant une autre caractdristsque de l'invention, l'injection d'oxygène, ou de gaz contenant de l'oxygène, dans l'eau à traiter a lieu de façon intermittente ou de façon continue mais avec un débit variable, ce qui, en particulier, rend possible le dosage de l'apport d'oxygène en fonction de la teneur de l'eau en ammoniaque. Le procédé de l'invention peut avantageusement être mis en oeuvre au moyen d'un appareil, faisant également partie de l'invention. Cet appareil comportant un filtre constitué d'un matériau granulaire, tel que sable ou charbon actif, ensemencé en microorganismes bactériens et muni de moyens pour amener l'eau à traiter à la base de l'appareil et pour recueillir à sa partie supérieure, l'eau filtrée exempte d'ammoniaque, est caractérisé en ce qu'il comporte, à sabase, au moins un dispositif réalisant l'injection de l'oxygène, ou du gaz contenant de l'oxygène, dans l'eau à traiter, avant l'amenée du courant d'eau oxygénée au matériau filtrant. Conformément à l'invention, le dispositif d'oxygénation de l'eau à traiter se trouve dans une enceinte séparée de celle contenant le matériau filtrant mais communiquant avec elle, de façon à ce que l'oxygénation de l'eau puisse être réalisée avant tout contact avec le matériau filtrant. Toujours conformément à l'invention, le dispositif d'oxygénation est avantageusement agencé de façon à réaliser une introduction intermittente du courant d'eau oxygénée dans le filtre. Egalement conformément à l'invention, l'appareil comporte, en vue dela séparation des bulles de gaz et des grains de matériau entraînés par ces bulles, des moyens, tels que plaques ou chicanes, disposés au-dessus du lit filtrant, à la base de la partie supérieure, évasée, de l'appareil. Le processus bactérien de nitrification sur le filtre peut se représenter par deux équations successives La première de nitrification, enprésence de Nitrosomonas 55 NH4+ + 5 CO2 +76 O2 --- > +76 O2 NO2- +109H+ + 5 H2O La deuxième de nitratation, en présence de Nitrobacter 400 400 N02 +5C02 + NH4 +195O1+2H20 #*C5H7NO2 +400NO3 3 C5H7NO2 représentant la formule chimique de la cellule bactérienne. n faut 4, 25 mg d'oxygène dissous pour éliminer 1 mg d'ammoniaque. La quantité d'air à injecter dépend donc du débit de l'eau à traiter introduite à la base du filtre. Le rapport: débit d'air sur débit d'eau est compris entre 0,05 et 2. La filtration suivant l'invention, comportant une injection intermittente, ou continue mais avec un débit variable, d'air dans l'eau àtraiter avant son passage à travers le matériau filtrant, permet de moduler la quantité d'oxygène introduite en fonction de la teneur en ammoniaque de liteau à traiter, qui peut contenir jusqu'à 20 mg/l dtazote ammoniacal. En effet, on peut de cette façon introduire un volume important d'oxygène pendant un temps très court si nécessaire, ou un faible volume pendant un temps plus long, suivant les besoins variables au cours d'une journée par exemple, le volume d'oxygène introduit restant dans tous les cas suffisant pour nitrifier l'eau à traiter sur toute la hauteur de la couche filtrante avec maintien de la présence de bulles de gaz sur toute cette hauteur.En outre, cette injection intermittente, ou continue à débit variable, d'air, imprime un mouvement alternatif à la masse de support ensemencé en bactéries, permettant d'éviter le colmatage du matériau granulaire, la masse biologique en excès apparue au sein du filtre étant éliminée par friction, les matières en suspension en excès étant également éliminées. Cette masse biologique en excès et les matières en suspension sont éliminées en continu. Cette technique d'élimination de l'ammoniaque permet de traiter des eaux de surface en amont de la chable de traitement classique et de s 'affran- chir ainsi de la filtration supplémentaire à la suite d'une nitrification placée en aval du traitement. L'injection de gaz contenant de l'oxygène estavantageusement effectuée au moyen d'une canne d'injection en matériau poreux disposée à l'intérieur d'une enceinte distincte de celle où est placé le filtre mais communiquant avec elle, enceinte dans laquelle est introduite l'eau à traiter. Cette enceinte protège la canne poreuse du contact de la masse filtrante: en effet, le courant d'eau à traiter empêche en permanence le matériau granulaire contenu dans le filtre de s'introduire dans l'enceinte et de colmater la canne poreuse. Cette enceinte protectrice a un autre but : elle permet l'introduction du gaz dans l'eau à traiter en dehors de la masse filtrante et évite la formation de poches gazeuses se formant par coalescence des bulles naissantes lorsque ces bulles sont émises de façon classique directement dans lamasse filtrante Suivant l'invention, les bulles de gaz sont entraînées par le courant d'eau à travers le lit de matière granuleuse sur toute sa hauteur L'oxygène fourni est ainsi amené à agir suivant trois processus différents et complémentaires : dès que l'eau à traiter pénètre dans le lit filtrant, elle est suffisamment oxygénée pour que s' effectue l'élimination de l'ammoniaque au niveau de la masse support sur laquelle sont fixés les microorganismes bactériens; le courant d'eau oxygénée entraidant des bulles de gaz à travers lamasse filtrante maintient sur toute la hauteur de celle-ci une concentration suffisante en oxygène dans l'eau pour que la nitrification se poursuive sur l'ensemble du filtre; enfin ces bulles de gaz permettent un transfert d'oxygène au niveau meme des microorganismes bactériens. Les grains de matériau granulaire entravés par les bulles de gaz sont séparés de celles-ci par un système de plaques ou de chicanes, le matériau granulaire retombant au sein de la masse filtrante après chaque injection de gaz. Le système de plaques ou de chicanes est avantageusement constitué d'un matériau à fort pouvoir de rétention, matière plastique par exemple. On a décrit ci-après, uniquement à titre d'exemple, une forme de réalisation de l'invention. Au cours de cette description, on se réfère au dessin ci-joint sur lequel la figure 1 représente une vue schématique en coupe du filtre suivant l'invention; la figure 2 représente une vue en coupe d'undétail de ce filtre, le dispositif d'injection d'air et d'eau à traiter. L'appareil consiste en un filtre 1 empli de matériau granulaire 2 ensemencé en microorganismes bactériens et comportant à sa base un dispositif 3 d'in troduction d'eau à traiter et de gaz contenant de l'oxygène. L'eau à traiter est introduite par une canalisation 5 dans une enceinte 4 distincte de l'enceinte du filtre mais communiquant avec elle et dans laquelle est disposée la canne dtinjection de gaz 6. Cette canne d'injection en matériau poreux est alimentée par une tuyauterie 7 munie dlun dispositif de réglage 8 d'admission du gaz et d'une minuterie 9 permettant l'injection intermittente du gaz. Les bulles injectées dans l'enceinte 4 oxygènent l'eau à traiter et sont entrainées par le courant d'eau à travers la masse filtrante. Elles remontent sur toute la hauteur du filtre.Les grains de particules de matériau filtrant entraînées par ces bulles sont amenés à retomber au sein de la masse filtrante au moyen d'un dispositif de chicanes 10 disposé à la base de la partie supérieure évasée 11 du filtre, au-dessus de la couche de matériau granulaire. La réduction de la vitesse linéaire de l'eau dans la partie supérieure évasée du filtre favorise le recyclage des grains de matériau entraidés. Exemple On a traité pendant 7 jours une eau de surface contenant de 4, 5 à 8 mg/l d'azote sous forme NH4 dans un filtre suivantl'invention, comportant une c ouche de sable de gralulométrie 0, 2 à 0, 4 mm et une hauteur de 1 m. Le dé bit d'eau à traiter était de 600 l/h, le débit d'air injecté de 300 l/h et la température de 21"C. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau ci-dessous évolution 4 mg/i 2 mg/î NO3 mg/l au cours du temps Entrée Sortie Entrée Sortie Entrée Sortie Jours 1 5,0 2,0 0,4 4,0 ii, o 17,0 2 6,0 2,0 0,5 6 > 0 10,5 16,0 3 8,0 3,0 0,5 6,o 13,8 22,5 4 4,0 1,0 0,5 3,5 14,0 18,7 5 4,2 1,2 0,4 3,3 14,2 20,5 6 5,0 1,5 0,4 1,0 9,5 19,4 7 4,5 1,0 0,3 0,3 11,3 22,8 Le temps de contact était de 6 minutes environ. Une partie seulement du sable était ensemencée et l'on s'aperçoit pourtant que la transformation de l'ammoniaque en nitrites puis en nitrates est importante; pour un filtre totalement ensemencé la transformation serait encore plus complète. Le procédé suivant ltinvention a été utilisé dans des domaines de vitesse de 5 à 100 m/h, sur un support de granulométrie allant de 0, 2 à 5 mm; la hauteur de couche de matériau filtrant étant de 0, 5 à 4 m selon la charge d'ammoniaque à nitrifier et le rendement désiré. REVENDICATIONS 1) Procédé de filtration pour l'élimination de l'ammoniaque des eaux contenant une quantité d'ammoniaque inférieure à 20 mg/l, enparticulier des eaux destinées à l'alimentation, dans lequel l'eau à traiter est amenée à traverser de bas en haut au moins un lit de matériau granulaire ensemencé en microorganismes bactériens, avec apport d'oxygène, caractérisé en ce que l'apport d'oxygène est effectué dans le courant d'eau à traiter avant son injection dans le lit de matériau granulaire, ce qui permet un dégagement d'oxygène sous forme de bulles entraînées par le courant d'eau à travers la masse filtrante sur toute sa hauteur. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxygène, ou le gaz contenant de l'oxygène, et l'eau à traiter sont introduits sous des débits respectifs favorisant la progression des bulles de gaz à travers le matériau filtrant. 3) Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le débit de gaz injecté est de 0, OS à 2 fois le débit d'eau à traiter. 4) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injection d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, dans l'eau à traiter, a lieu de façon intermittente, ce qui, en particulier, rend possible le dosage de l'apport d'oxygène en fonction de la teneur de l'eau en ammoniaque. 5)Procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que l'injection d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, dans l'eau à traiter, a lieu de façon continue mais à débit variable. 6) Appareil pour la réalisation du procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un filtre constitué d'un matériau granulaire, tel que sable ou charbon actif, ensemencé en microorganismes bactériens et muni de moyens pour amener l'eau àtraiter àla base de l'appareil et pour recueillir à sa partie supérieure l'eau filtrée exempte d'ammoniaque, caractérisé en ce qu'il comporte, à sa base, au moins un dispositif réalisant l'injection de l'oxygène, ou du gaz contenant de l'oxygène, dans l'eau à traiter, avant l'amenée du courant d'eau oxygénée au matériau filtrant. 7) Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'oxygénation de l'eau à traiter se trouve dans une enceinte séparée de celle contenant le matériau filtrant mais communiquant avec elle, de façon à ce que l'oxygénation de l'eau puisse être réalisée avant tout contact avec le matériau filtrant. 8) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le dispositif d'oxygénation est agencé de façon à réaliser une introduction intermittente du courant d'eau oxygénée dans le filtre. 9) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz contenant de l'oxygène dans le courant d'eau à traiter est constitué par une canne d'injection en matériau poreux disposée dans une enceinte située à proximité dela base de celle contenant le matériau granulaire et communiquant avec elle, et dans laquelle est introduite l'eau à traiter. 10) Appareil suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en vue de la séparation des bulles de gaz et des grains de matériau entravés par ces bulles, des moyens tels que plaques ou chicanes, disposés au-dessus du matériau filtrant, à la base de la partie supérieure, évasée, de l'appareil.