Brevet FR2497186A1 — publié le 19820702

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'EAUX RESIDUAIRES AZOTEES La présente invention se rapporte à l'épuration des eaux résiduai- res d'origine essentiellement organique et vise plus particulièrement un procédé qui, parallèlement à l'élimination de l'essentiel des matiè- res carbonées sous forme de gaz carbonique et de boues, permet de ré- duire les teneurs résiduelles des eaux clarifiées en produits azotés. Ce procédé, qui opère par floculation à pH élevé avec entraînement à l'air (stripping') de l'ammoniac après un traitement de mise en for- me des composés azotés sur un lit bactérien à ruissellement, aérobie, de grande surface spécifique, réduit aussi les rejets en phosphore. Il consomme peu d'énergie et se prête à une mise en régime rapide. Si l'on examine les traitements d'oxydation biologique couramment employés, après une clarification primaire, pour l'épuration des pollu- tions d'origine organique, on remarque que les eaux clarifiées sortant du séparateur secondaire renferment, indépendamment d'une faible quan- tité de matières organiques solubles, des teneurs plus ou moins impor- tantes en ions divers, notamment des proportions variables mais non _- + négligeables de NO, NO,NH4 Divers travaux se sont proposé d'éliminer ces résidus azotés: ils ont jusqu'à présent principalement tendu à compléter les schémas d'épuration classiques, initialement afin d'obtenir l'oxydation pure et simple en nitrates, désormais afin d'éliminer réellement une part im- portante de ces déchets en faisant suivre cette oxydation, et l'élimination des boues secondaires, d'une étape tertiaire de réduc- tion effectuée sur les eaux clarifiées, qui libère de l'azote gazeux; ceci exige d'ailleurs une nouvelle introduction de matières carbonées, par exemple sous forme d'une addition dosée de méthanol. C'est l'objet des divers schémas biologiques dits de nitrification - dénitrification. Leur mise en régime est lente du fait de la nécessité de consti- tuer et de maintenir la flore bactérienne convenable. D'autre part, 2497 186 dans toutes les variantes de ce procédé, en raison de l'importante de- mande en oxygène correspondant à l'oxydation de l'azote, la nitrifica- tion exige un fort brassage qui entraîne une consommation d'énergie importante. Il est possible d'intégrer au schéma une réutilisation des nitrates, en effectuant un recyclage vers une zone "anoxiquee placée en tête du traitement, mais la consommation d'énergie reste importante du fait du taux de recirculation élevé qu'il faut alors adopter. Enfin, la mise en oeuvre s'effectue dans des bassins à boues acti- vées car elle serait difficile sur des lits bactériens fixes traditionnels, en raison de leur passage libre insuffisant eu égard aux taux de circulation élevés nécessaires et s'est révélée peu efficace sur les lits bactériens modernes à forte surface spécifique, constitués par exemple d'anneaux en matériaux plastiques: en raison de la diffi- culté d'y implanter une flore nitrifiante suffisante, on ne parvient pas à y effectuer une transformation complète de l'azote ammoniacal en nitrates. On sait qu'il existe d'autre part des procédés physico- chimiques très divers, intéressants quant à la rapidité de mise en régime et dont certains permettent d'éliminer tour à tour les diverses formes d'azote, comme le passage sur des résines échangeuses d'ions, ou tout au moins l'azote présent sous forme ammoniacale, comme l'oxydation chimique par le chlore. Il s'agit cependant de procédés coûteux et qui, principale- ment pour cette raison, sont surtout adaptes au traitement d'effluents spéciaux, généralement d'origine industrielle. On a toutefois constaté, dans les traitements d'épuration physico- chimiques utilisant la floculation d'un effluent brut par la chaux et opérant ainsi à pH élevé, la possibilité d'éliminer par stripping sous forme d'ammoniac une fraction de l'azote, généralement faible puisqu'il s'agit de celle présente dès le départ sous cette forme. Ceci a conduit à envisager d'appliquer un traitement tertiaire analogue aux effluents clarifiés de certaines unités de traitement bio- logique puisque ces effluents renferment une fraction plus ou moins grande d'azote ammoniacal. Après séparation des boues dans le décanteur secondaire du traitement biologique, on ajoute donc une unité de trai- tement tertiaire par augmentation du pH, l'élimination de l'ammoniac s'effectuant alors par entraînement à l'air. Ce procédé, qui a fait l'objet de travaux assez nombreux ainsi que de certaines réalisations, est certainement le procédé physico-chimique le mieux adapté à l'épuration des eaux résiduaires. 2 4 97 18 6 La présente invention a pour objet un procédé bio-physico-chimique de type analogue, destiné à permettre d'éliminer quasi totalement des eaux de rejet finales les résidus azotés. Elle se fonde sur l'observation que non seulement les lits bacté- riens à garnissage de grande surface spécifique, en matières plastiques, sont inaptes à permettre la nitrification totale de l'azote ammoniacal, mais encore ont la propriété particulière d'effectuer sans nitrification appréciable la transformation des différentes formes d'azote organique jusqu'à l'azote ammoniacal, pendant les phases ini- tiales de la digestion des matières organiques. Elle se propose d'éviter en pratique toute nitrification des composés azotés au cours de l'étape biologique de traitement des matières carbonées, afin d'obtenir après floculation par chaulage une élimination complète de l'azote par stripping à l'air sous forme d'ammoniac, comme exposé ci- dessus, en interrompant le traitement biologique avant transformation complète des matières carbonées, dont l'épuration totale résultera de la floculation. Selon l'invention, il y a donc lieu d'effectuer tout d'abord un traitement biologique à charge élevée, le volume du lit en regard de la charge appliquée en demande biologique d'oxygène (DBO) conduisant à un taux d'épuration de l'ordre de 80 Z et en tout cas inférieur à 85 Z en- viron dans le but d'obtenir la mise en forme de l'azote en vue du stripping. La surface active d'un tel lit ne sera pas supérieure à 125 m2 par kg/jour de DBO5 à traiter. On fait suivre ce traitement biologi- que d'un traitement physico-chimique de floculation par la chaux et de dégazage qui, non seulement permet d'éliminer les composés azotés mais fournit également, par clarification en aval de l'unité de stripping, l'effet d'épuration complémentaire nécessaire pour atteindre finalement les normes de rejet relatives aux matières oxydables ou plus précisé- ment à la "DBO". Une très bonne épuration des composés du phosphore est également obtenue au niveau de la floculation. Il est bien entendu avantageux de faire précéder le traitement biologique sur le lit bactérien d'un traitement primaire de tamisage - fin ou de décantation. Dans ces conditions, du moins pour les effluents urbains, mixtes ou pour un grand nombre d'effluents industriels, le fonctionnement du lit bactérien en matériaux plastiques ne réclamant pas de recyclage des boues, il est avantageux de supprimer toute clarification, décantation ou flottation entre celui-ci et le traitement physico-chimique, donc d'intégrer entièrement le stripping dans le schéma d'épuration des ma- tières carbonées. - On n'installe donc pas de décanteur (ou de flottateur) secondaire entre le lit bactérien et la tour de stripping mais on reporte cet ap- pareil au niveau de la décantation tertiaire ce qui simplifie la mise en oeuvre du procédé et permet en outre de recycler les boues obtenues vers le décanteur primaire après destruction de leur flore nitrifiante, pour y augmenter la concentration, sans risque de faire apparaître des rejets de nitrates. Ceci ne serait bien entendu pas possible si l'on utilisait un sys- tème à boues activées exigeant un recyclage à partir d'un décanteur secondaire, voire un lit bactérien à garnissage en matériaux naturels, même exempt de recyclage, car leur important taux de rétention des boues conduit à une nitrification partielle, même aux charges élevées envisagées, dans la mesure o l'on veut que ces charges permettent en- core d'obtenir ensuite l'épuration voulue de la pollution carbonée. Lorsque la nature du milieu récepteur n'autorise pas le rejet de l'effluent traité du fait de son pH élevé, on complétera le traitement à l'aide d'une neutralisation par l'anhydride carbonique conduisant à une précipitation complémentaire de carbonate de calcium qui favorise la décantation et l'épuration; cette carbonatation peut être obtenue à partir de fumées d'origine extérieure ou, mieux encore, à partir des fumées d'un four d'incinération calcinant les boues, dont les cendres seront avantageusement réutilisées pour diminuer l'apport de chaux fraîche au stade de la floculation. Enfin, si une fraction de l'azote de l'effluent brut se présente sous forme de nitrates, on installera avantageusement, en tête du processus, une cuve anoxique permettant de réduire ces derniers en azo- te ammoniacal. Un schéma de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention est présenté sur la figure dans le cas du traitement d'un effluent urbain classique et les données chiffrées correspondantes, débits et charges horaires pour l'effluent (4 stades) et pour les boues (2 stades) en DCO demande chimique en oxygène DBO5 demande biologique en oxygène à 5 heures MES matières en suspension dont: BBP boues biologiques primaires BBS boues biologiques secondaires et sels minéraux 2 49718 6 COT carbone organique total soluble ou en suspension NNTK azote total, ammoniacal ou en suspension dosé par la méthode KJELDAHL POT phosphore organique total sont portées dans le tableau annexé pour un débit à traiter de 50 m /h. L'effluent brut (E) préalablement "dégrillé", dont la composi- tion est donnée dans la colonne de gauche du tableau, est reçu dans un décanteur primaire 1 vers lequel, de préférence, seront aussi recyclées, comme on le verra, les boues "secondaires" du procédé; ce décanteur a la double fonction de protéger le lit bactérien aval contre les encrassements et de réduire la charge organique à traiter. L'effluent I décanté, dont la composition est donnée dans la co- lonne correspondante I du tableau, alimente le lit bactérien à ruissel- lement 2, constitué d'anneaux en matière plastique annelés d'une surface spécifique de 230 m2/m3 (marque FLOCOR R), équipé d'une pompe d'arrosage 21 et calculé pour fournir sur la DBO5 un taux d'épuration voisin de 80 %, c'est à dire sur la base de 2 kg/j de DBO5 par m3s de façon à obtenir la transformation de l'azote organique en azote ammoniacal, mise à part une faible quantité, exportée par les boues biologiques en excès qui seront séparées en aval. La lenteur de développement des bactéries nitrifiantes permet d'absorber sans inconvénient les variations diurnes, de sorte que, sous réserve d'un éventuel stockage de régularisation en tête de l'installation, la capacité ci-dessus peut se calculer sur la charge moyenne. S'il faut absorber des variations saisonnières notables, il pourra devenir nécessaire de concevoir le lit bactérien sous forme d'une batterie d'éléments distincts alimentés en parallèle et ainsi susceptibles d'être connectés séparément. L'effluent II traité sur le lit bactérien a la composition don- née en colonne II du tableau. Il est reçu dans un bac de floculation 3, équipé d'un agitateur 31 et d'une régulation de pH 32, o son pH est relevé jusqu'à la valeur de 10,5 environ par un apport de chaux fraîche ou en partie au moins recyclée sous la forme des cendres en provenance d'un four d'incinération de boues calcaires, comme on le verra ultérieurement. L'effluent chaulé alimente une tour de stripping 4, équipée d'un système de ventilation forcée 41 capable d'un débit d'environ 100 000 m3/h: l'ammoniac est ainsi rejeté à l'atmosphère à une concentration 2 49718 6 inférieure à 30 mg/m3. L'effluent débarrassé du gaz ammoniac est reçu dans un décanteur secondaire 5 o sont séparées les boues biologiques en excès produites par le lit bactérien et divers précipités de calcium et de phosphore. Dans une variante du procédé, l'air chargé d'ammoniac peut être traité dans une seconde tour d'absorption 6, sur laquelle par exemple on fera circuler une solution d'acide phosphorique, avec pour avantage de produire une solution à valeur d'engrais, de supprimer le rejet d'ammoniac à l'atmosphère et de pouvoir faire travailler l'air en cir- cuit fermé, évitant l'apport de gaz carbonique atmosphérique, ce qui supprime les risques d'encroûtage. Dans le cas du stripping en circuit ouvert, la possibilité de rinçage périodique de la tour par une solution acide, par exemple une solution d'acide chlorhydrique, doit être prévue; un by-pass 7 permet alors d'alimenter directement le décanteur secondaire à partir du lit bactérien. Lorsque le rejet d'effluents basiques ne peut être toléré, il se- ra installé, en amont du décanteur, un bassin de carbonatation 8 o la neutralisation de l'effluent chaulé et strippé sera effectuée par in- jection de gaz carbonique contenu dans des fumées: cette neutralisa- tion précipite des boues de carbonate de calcium également séparées dans le décanteur 5. C'est l'hypothèse ici retenue. A la sortie du décanteur, l'eau épurée III, aux normes de rejet souhaitées, a la composition donnée dans la colonne III du tableau. Les boues S du décanteur secondaire 5 sont recyclées au décanteur primaire comme il a été dit précédemment et les boues P du procédé sont extraites en totalité du décanteur primaire. Les unes et les autres ont la composition donnée respectivement dans les colonnes correspondantes S et P du tableau. Elles sont déshydratées jusqu'à une valeur convena- ble pour être mises en décharge ou bien, dans une variante du procédé déjà évoquée, pour être incinérées et calcinées dans un incinérateur 9. Dans ce cas, les fumées de l'incinérateur seront avantageusement utili- sées pour effectuer la carbonatation de la chaux, et les cendres basi- ques résultant de la décomposition du carbonate de calcium pour diminuer considérablement l'apport de chaux fraîche dans le procédé; une partie des cendres doit être toutefois éliminée de la boucle du procédé afin d'éviter l'accroissement excessif des teneurs en phosphore et en suies de carbone. TABLEAU E I II III s P DEBIT m 3/h 50 50 50 50 0,5 0,5 CHARGES mg/i kg/l mg/1 kg/l mg/1 kg/l mg/1 kg/l mg/l kg/l mg/l kg/l DCO 700 35 420 21 - - - - DBO5 360 18 220 11 50 2,5 25 1,25 - - - - MES 410 20,5 100 5 150 7,5 30 1,5 64 32 95 47,5 dont - BBP 410 20,5. - - - - - - - - 31 15,5 - BBS - - - -.... 16 8 16 8 C0 Ca.. _ - 47 23,5 47 23,5 (P 4)2 Ca3 - - 0,16 0,8 0,16 0,8 renfermant CoOT 220 11 130 6,5 74 3,7 16 0,8 - - - - dont Csoluble - _ _ 44 2,2 14 0,7 - - CSO - - - - 30 1,5 2 0,1 - -. en suspension d N NTK 70 3,5 60 3 60 3 10 0,5 - - dont NH3 - - - 47 2,35 - -. N. - - - _ 13 0,65 - - - - _ _ suspens ion.1 P 20 _ 18 0,9 18 0,9 0,2 O,01 0,2 0,1I OT. -- - -- -- - -J NO 0., CO g 2497 186 REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration des eaux résiduaires d'origine essentiel- lement organique, permettant de réduire leurs teneurs résiduelles en produits azotés, comprenant après dégrillage et clarification primaire un traitement d'oxydation biologique suivi d'une clarification secon- daire et un dégazage par entraînement à l'air après augmentation du pH, caractérisé en ce que le traitement biologique s'effectue à charge éle- vée sur un lit bactérien à ruissellement de grande surface spécifique, qu'il est interrompu avant transformation complète des matières carbo- nées et que l'augmentation consécutive de pH s'effectue par la chaux, provoquant une floculation avant la clarification finale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vo- lume du lit en regard de la charge appliquée conduit à un taux d'épuration moyen de l'ordre de 80 %, en tout cas inférieur à 85 % environ. 3.Procédé selon l'une de revendications précédentes, caractérisé en ce que la floculation et l'entraînement à l'air s'effectuent immg- diatement après le traitement biologique, la totalité des boues engen- drées par le processus étant séparées en aval, au cours de l'étape de clarification finale du liquide. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les eaux traitées sont neutralisées par l'anhydride carbonique avant clarification. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les boues de décantation sont calcinées, les fumées produites utilisées pour carbonater les eaux traitées, et les cendres pour diminuer l'apport de chaux fraîche au stade de la floculation. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sée en ce que les boues de clarification obtenues sont recyclées vers le traitement primaire de décantation placé en tête, pour y augmenter la concentration des boues correspondantes avec lesquelles elles sont définitivement séparées. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sée en ce que l'air chargé d'entratner l'ammoniac circule en circuit fermé, subissant un lavage acide après la phase d'entraînement. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, appliqué à un effluent brut riche en nitrates et caractérisé en ce qu'une zone anoxique est prévue en tête du traitement biologique. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'épuration des lb 2497186 4, eaux résiduaires selon les revendications précédentes, comprenant, en aval d'un étage primaire de clarification (1), un étage secondaire de traitement biologique sur un lit bactérien (3) suivi d'un décanteur secondaire, et un étage tertiaire comprenant un bac d'augmentation de pH associé à une tour d'entraînement à l'air (4), caractérisé en ce que le lit bactérien utilisé est un lit à ruissellement (2) à garnissage de grande surface spécifique et en ce que le bac d'augmentation de pH est un bac de floculation alimenté en chaux, placé en amont d'un décanteur final (5). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étage de traitement biologique est formé d'une batterie de lits bac- tériens d'une surface de garnissage inférieure à 125 m par kg/jour de charge moyenne à traiter exprimée en DBO5. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caracté- risé en ce que le décanteur secondaire est placé en aval de l'étage de floculation (3) et d'entraînement à l'air (4) et constitue ainsi le dé- canteur final (5). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par un in- cinérateur de boues (9) dont les conduits de fumées alimentent un bas- sin de carbonatation (8) placé entre la tour d'entraînement à l'air (4) et le décanteur secondaire (5) et dont un transporteur renvoie les cen- dres vers les trémies d'alimentation du bac de floculation. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par une installation de recyclage des boues (S) du décanteur secondaire vers l'étage primaire (1), de décantation, à partir duquel l'ensemble des boues (P) sont définitivement éliminées. 14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, caracté- risé par une tour de lavage acide (6) fermant le circuit de circulation d'air (41) de la tour d'entraînement. 15. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 14, équipé d'une cuve anoxique en tête de l'étage de traitement biologique à ruissellement.