Brevet FR2515164A1 — publié le 19830429

L'invention se rapporte à un procédé d'exploi- tation d'une installation d'épuration d'eau résiduaire par aération, comprenant des bassins d'aération, un lit bactérien disposé en amont et un bac de post-clarification, cette ins- tallation comportant des bassins d'aération, déjà établis ou à établir, de puissance d'aération et de capacité de traite- ment (évaluée en nombre d'habitants ou d'équivalents-habitants dont les effluents peuvent être traités) données, et étant conçue par suite pour un débit d'eau résiduaire (en m 3 par jour) donné En général, deux bassins d'aération disposés l'un derrière l'autre sont prévus L'invention se rapporte en outre à une installation à bassins d'aération permettant de mettre en oeuvre un tel procédé. On entend par "eau résiduaire" dans le cadre de l'invention en particulier une eau résiduaire communale ou une eau usée analogue facilement dégradable Les expressions "puissance d'aération" et "capacité de traitement" désignent des grandeurs usuelles dans la technique des installations à bassins d'aération. On prévoit typiquement, pour des installations classiques comportant deux bassins d'aération et un bassin de post-clarification, un volume spécifique d'environ 3 m 3 par habitant ou éauivalent-habitant et une surface spécifique d'environ 2 m par habitant ou équivalent-habitant La charge volumique des bassins d'aération se situe aux environs de g de DBO 5/m 3 j (grammes de demande biologique en oxygène par mètre cube et par jour) Les capacités de traitement usuelles se situent aux environs de 8 000 à 10 000 habitants ou équivalents-habitants au maximum. Dans le cadre des dispositions connues (par la pratique), le lit bactérien est exploité en tant que dispo- sitif à faible charge avec une charge volumique dont l'ordre de grandeur se situe entre 1 et 2 kg de DBO 5/m 3 j, et via ce lit bactérien à faible charge est amené aux bassins d'aé- ration le débit d'eau résiduaire classique, correspondant à la capacité de traitement Cela peut être réalisé sans dif- ficulté jusqu'aux capacités de traitement indiquées de 8 000 à 10 000 (au maximum) habitants ou équivalents-habitants. Pour des capacités de traitement supérieures, la surface et le volume nécessaires sont trop élevés Cela s'applique aussi bien aux installations à bassins d'aération comportant des becs à air comprimé fixes, situés en général au milieu des bassins, qu'aux installations à bassins d'aération comportant des becs à air comprimé animés d'un mouvement de va-et-vient dans les bassins, en général suspendus aux côtés frontaux de ceux-ci. Plus particulièrement, le thème de l'épuration des eaux résiduaires, notamment des eaux résiduaires commu- nales, appelle les commentaires ci-après. En République Fédérale d'Allemagne sont proba- blement en service quélque cent installations à bassins d'aé- ration classiques Elles répondent aux prescriptions et aux puissances de traitement en vigueur et ont fait leurs preuves à cet égard Elles présentent une haute stabilité de fonc- tionnement et se comportent comme des installations naturelles. Certes, elles nécessitent un grand espace spécifique en sur- face et en volume; elles exigent cependant très peu d'entre- tien Les investissements par habitant ou équivalent-habitant sont très réduits Leur faible coût de construction ainsi que le peu d'entretien qu'elles demandent en fonctionnement sont à imputer entre autres au fait que de telles installations à bassins d'aération peuvent en général être établies par terrassement et que, en raison de l'ampleur du volume et de la surface disponibles, des agencements spéciaux de dessa- blage, de dégrillage et de traitement de boue sont inutiles. Le temps de séjour de l'eau résiduaire à épurer dans les bassins d'aération est voisin de 10 à 15 jours La dépense spécifique en énergie se situe aux environs de 1 kw h/kg de DBO décomposé; elle correspond ainsi à l'emploi de fosses d'oxydation L'abondant espace disponible permet, comme men- tionné, de faire fonctionner de telles installations à bassins d'aération sans dégrillage, sans dessablage et sans étage spécial de traitement de boue La boue se dépose au fond des bassins d'aération L'eau constamment aérée et eh mouvement passe par-dessus la boue et apporte de l'oxygène à la couche supérieure de boue, de sorte que la boue ne travaille pas et ne se corrompt pas dans la couche supérieure. La boue située plus profond est décomposée en mode anaérobie. 15164 Ce n'est qu'après plusieurs années qu'un pompage de la boue complètement stabilisée est nécessaire L'eau résiduaire elle-même est épurée dans les bassins aérés par des flocs très fins flottants dans l'eau ainsi que par les aérobies fixés sur le fond. L'invention a pour but de créer un procédé qui permette de faire fonctionner une installation à bassins d'aération avec des capacités de traitement accrues par rap- port aux valeurs classiques, donc avec un débit d'eau rési- duaire sensiblement augmenté L'invention a en outre pour but de créer une installation à bassins d'aération propre a la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que le lit bactérien est conçu et fonctionne en tant que dispositif à forte charge avec une charge volumique située dans la plage de 2 à 12 kg de DBO 5/m 3 j, de préférence envi- ron 5 kg de DBO 5/m 3 j, et que via ce lit bactérien à forte charge est amené aux bassins d'aération (non modifiés) un débit d'eau résiduaire qui est-supérieur d'au moins d'un facteur 1,5 au débit d'eau résiduaire classique pour des bas- sins d'aération Par ailleurs, les bassins d'aération fonctionnent malgré cela de manière classique La boue se dépose, comme auparavant, au fond des bassins d'aération. L'eau constamment aérée et en mouvement passe par-dessus la boue et apporte de l'oxygène à la couche supérieure de boue, de sorte que la boue ne travaille pas et ne se corrompt pas comme jusqu'ici dans la couche supérieure Ce n'est qu'après plusieurs années qu'un pompage de la boue complètement stabilisée est nécessaire L'eau résiduaire elle-même est épurée dans les bassins d'aération par des flocs très fins flottants dans l'eau ainsi que par les aérobies fixés sur le fond L'invention combine ainsi un lit bactérien, utilisé en tant que dispositif à forte charge, aux bassins d'aéra- tion structurellement non modifiés ou non sensiblement modi- fiés d'une installation à bassins d'aération classique; elle procure ainsi, la possibilité de faire fonctionner toute l'instal- lation avec une capacité de traitement supérieure à celle d'une instal- lation classique d'un facteur d'au mhoins 1,5 ou même 2 ou 3 L'invention présente de ce fait une importance particulière lorsqu'il s'agit de créer ou de transformer une installation à bassins d'aération exis- tante en vue d'accroître sa capacité de traitement, en d'au- tres termes d'augmenter le débit-d'eau résiduaire A cet effet, il est seulement nécessaire de changer le lit bactérien ou de le modifier L'invention ne présente cependant pas seule- ment de l'importance pour la transformation d'installations à bassins d'aération existantes L'enseignement de l'inven- tion vise en effet également de nouvelles installations dans lesquelles le lit bactérien est agencé et fonctionne comme décrit, tandis que les bassins d'aération sont réalisés de manière en quelque sorte classique. Plus en détail, il existe dans le cadre de l'invention plusieurs possibilités de réalisation Dans la forme d'exécution d'une installation comprenant un dispositif de pré-clarification grossière disposé en amont du lit bacté- rien, la pré-clarification grossière peut être effectuée dans un bac rond traversé transversalement par le courant ou dans un bac allongé, o le sable et la boue grossière se déposent, tandis que le sable et la boue grossière issus du dispositif de pré-clarification grossi-ère sont amenés, en contournant le lit bactérien, dans les bassins d'aération o ils s'accu- mulent Dans une forme d'exécution préférée de l'invention, le lit bactérien fonctionne avec une-vitesse de balayage de m/h ou plus et ce qu'on appelle la végétation biolo- gique apparaissant dans le lit bactérien est expulsée par lavage et de même introduite dans les bassins d'aération o elle s'accumule. Une forme d'exécution de l'invention, qui revêt une importance particulière, se rapporte à des dispositions qui permettent de faire fonctionner une installation à bas- sins d'aération de réalisation et de fonctionnement classique avec un débit d'eau résiduaire dont la valeur est supérieure d'un facteur 2 ou plus aux valeurs de débit classiques A cet égard, il convient selon l'invention de disposer, entre 1 e lit bactérien à forte charge et les bassins d'aération, un bac à adsorption également à forte charge, et d'introduire la boue issue du bac à adsorption de même dans les bassins d'aération, o elle se dépose, on entend ici Dar "bac à adsorption" un bac d'activation destiné à éliminer par adsorption, auto-filtration et coagulation des composés carbonés et nitrés assez difficilement dégradables, lequel est aéré par l'air ambiant et est utilisé en tant que bac d'activation à très forte charge avec une charge volumique d'environ 10 kg de DBO /m 3, et avec une charge de boue d'au moins 2 kg de DE 05 par kg de boue sèche et par jour (cf les demandes de brevet allemand N O 2 640 875 et no 2 803 759, auxquels correspondent respectivement les demandes de brevet français no 77/27380 et 79/02055). Il entre dans le cadre de l'invention d'apporter des agents de précipitation entre le premier et le deuxième étage biologique à forte charge De ce fait, d'une part la capacité d'épuration de l'étage d'activation est accrue; d'autre part, les phosphates sont rassemblés et se déposent avec la boue dans les bassins d'aération En liaison avec la réduction de la teneur en phosphates dans les étages d'aéra- tion qui suivent et dans le biotope humide, des taux de ré- duction de 80 à 90 % de la teneur en phosphate sont atteints. Il entre en outre dans le cadre de l'invention d'apporter entre le premier et le second bassin d'aération des agents de précipitation, par exemple des sels ferreux Il entre également dans le cadre de l'invention d'introduire l'eau épurée issue du bassin de post-clarification dans un biotope humide et de l'y soumettre à une épuration complémentaire. Dans le mode opératoire selon l'invention, les bassins d'aération de l'installation travaillent avec leur stabilité de fonctionnement spécifique Comme auparavant, des étages de traitement de boues spéciaux ne sont pas néces- saires et tout dégrillage ou opération analogue devient inutile L'encombrement en volume ou en surface est cependant notablement réduit, jusqu'au quart; en d'autres termes, le débit d'eau résiduaire peut ainsi être corrélativement accru. Le système d'aération naturelle peut être utilisé avec des capacités de traitement notablement plus élevées, à savoir correspondant au traitement des effluents de 30 000 à 40 000 habitants ou équivalents-habitants Le lit bactérien ainsi que le bac à adsorption nécessitent,,?eee au montryetien L aéra tion relative à l'activation à forte charge peut être/comprimé ou par aérage de surface; de préférence, l'aération se fait au moyen d'air comprimé, éventuellement par raccordement aux compresseurs d'air de l'installation Dans la forme d'exécution comprenant des bacs à adsorption disposés en amont, une partie des composés organiques assez facilement dégradables se décompose dans le lit bactérien, et cela avec une très faible dépense d'énergie spécifique, savoir de l'ordre de 0,25 à 0,30 k Wh/kg de DBO 5 réd Le reste est traité dans le bac à adsorption, qui peut fonctionner aussi bien facultativement en mode anaérobie qu'en mode aérobie, de préférence facultativement en mode anaérobie, de sorte que les substances difficilement dégradables sont transformées en substances facilement dégradables Ces matières résiduelles peuvent être décomposées dans les bassins d'aération La dépense énergétique est réduite d'environ 50 % par rapport aux bassins d'aération classiques Pour un débit d'eau résiduaire donné, les investissements sont notablement plus faibles et sont abaissés d'environ 30 à 40 %. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique On y trouvera par ailleurs d'importantes particularités de l'installation selon l'invention. La figure 1 représente le schéma d'une installation à bassins d'aération agencée en vue du procédé selon l'invention, comportant un lit bactérien à forte charge. La figure 2 représente le schéma d'une installation à bassins d'aération agencée en vue du procédé selon l'invention, comportant un lit bactérien à forte charge et un bac à adsorption. L'installation représentée à la figure 1 est une installation d'épuration d'eau résiduaire par aération, comprenant deux bassins d'aération 1, 2,un lit bactérien 3 disposé en amont et un bac de post-clarification 4 Cette installation comporte des bassins d'aération 1, 2 de puissance d'aération et de capacité de traitement (évaluée en nombre d'habitants ou d'équivalents-habitants dont les effluents peuvent être traités) données, c'est-à-dire caractéris& parles yaleurs énoncées au début qui sont pré- vues suivant les connaissances classiques pour de tels bas- sins d'aération En d'autres termes, cela signifie que les bassins d'aération 1, 2 sont conçus pour un débit d'eau ré- siduaire, exprimé en m Ij, donné Le lit bactérien 3 n'est cependant pas un dispositif à faible charge; il est au contraire conçu en tant que dispositif à forte charge avec une charge volumique située dans la plage de 2 à 12 kg de DBO /m 3 j L'installation dans son ensemble est agencée pour un débit d'eau résiduaire supérieur d'au moins un fac- teur 1,5 au débit d'eau résiduaire classique pour lequel les bassins d'aération sont dimensionnés en soi Le lit bactérien 3 peut être réalisé avec des éléments en matière plastique et être conformé de manière à pouvoir être libéré de la végétation biologique par lavage à une vitesse de 5 m/h ou plus D'autre part, un dispositif de pré-clarification grossière 5 est prévu La disposition est telle que le sable et la boue grossière issus du dispositif de pré-clarifica- tion grossière 5 peuvent être introduits dans les bassins d'aération 1, 2 à l'aide d'une pompe mammouth raccordée au dispositif d'alimentation en air 6 desdits bassins Le dis- positif d'alimentation en air 6 présente une structure clas- sique et est également agencé pour un débit d'eau résiduaire de valeur classique. La figure 2 représente la forme d'exécution com- prenant un bac à adsorption 7 disposé entre le lit bactérien 3 à forte charge et les bassins d'aération 1, 2, l'agencement d'aération de ce bac 7 étant de même raccordé au dispositif d'alimentation en air 6 des bassins d'aération, tandis que la boue peut être transférée du bac à adsorption 7 dans les bassins d'aération 1, 2. Dans la forme d'exécution de la figure 1, le lit bactérien 3 à forte charge disposé en amont assure une trans- formation, dès avant les bassins aérés 1, 2, d'environ 30 % à 50 % des substances organiques dissoutes dans l'eau résidu- aire en une substance solide pouvant se déposer Si le lit bactérien 3 fonctionne avec la charge volumique indiquée, on obtient sans difficulté de telles puissances de décomposition Par suite, des volumes de b asins de plus de 3 peuvent être économises avec uni volume de 170 i 3 - 12 000 m /pour la clariicaton grossière et le lit bactérien 3 Cela signifie tue, Dour une communauté de 12 000 habitants -hna 1 ants ou équivalents/, il suffit de prévoir la surface au sol d'un système à bassins d'aération classique pour 6 000 habitants ou équivalents-habitants. Selon l'invention, avec le lit bactérien 3 est disposé en amont un étage biologique traditionnel, cet étage fonctionnant cependant d'une manière particulière, savoir à forte charge D'autre part, la boue issue de cet étage bio- logique n'est pas traitéecomme usuellement dans les étages biologiques Elle est au contraire introduite dans les bas- sins d'aération 1, 2 et s'y dépose L'eau constamment aérée et en mouvement passe par-dessus cette boue et apporte de l'oxygène à la couche supérieure de boue, de sorte que la boue ne travaille pas et ne se corrompt pas dans la région supérieure Ce n'est qu'après plusieurs années qu'un pompage de la boue complètement stabilisée est nécessaire L'eau résiduaire elle-même est alors épurée dans les bassins d'aé- ration 1, 2 comme auparavant par des flocs très fins flottants dans l'eau ainsi que par les aérobies fixés sur le fond. Dans la forme d'exécution comprenant un dispositif de pré- clarification grossière 5 en amont, les fonctions de dégril- lage, de dessablage et de pré-clarification grossière sont réunies, et cela avantageusement grâce à un bac rond à cou- rant transversal ou encore à un bac de clarification longi- tudinal Les particules en suspension sont retenues dans le dispositif de pré-clarification 5 et sont forcées de se déposer du fait de la constante aération légère Le sable et la boue grossière atteignent, de préférence via une pompe mammouth, la sortie du lit bactérien, puis les bassins d'aération 1, 2 Il en va de même pour la végétation biolo- gique, qui est enlevée par lavage à grande vitesse dans le lit bactérien 3 Elle se dépose finalement dans les bassins d'aération 1, 2 Les dépenses en énergie sont notablement réduites, car la moitié de la charge est décomposée par le lit bactérien 3 à forte charge Dans un lit bactérien de 4 m de haut, par exemple, la dépense en énergie spécifique est voisine de 0,25 k Wh/kg de DB 05 réd Par rapport aux installations à bassins d'aération utilisant une énergie spécifique de 1,0 k Wh/kg de DBO 5 réd,? une économie d'éner- gie d'environ 35 % est obtenue. Dans la forme d'exécution de la figure 2, le bac à adsorption 7 à forte charge est prévu au surplus, entre le lit bactérien 3 et les bassins d'aération 1, 2 De ce fait, la capacité de traitement peut encore être augmentée sans que l'encombrement spécifique en surface et en volume doive s'accroître de manière prohibitive Il peut au contraire, par interposition d'un tel bac à adsorption,y avoir réduction de l'encombrement spécifique en volume Du fait de la dis- position en amont des deux étages biologiques à forte charge, savoir le lit bactérien 3 et le bac à adsorption 7, il est possible d'éliminer environ 75 % de la charge organique en amont des bassins d'aération 1, 2, de sorte que ces derniers ne demandent plus qu'environ 25 % du dimensionnement autre- ment nécessaire; en d'autres termes, ils peuvent ainsi fonctionner avec YRébit d'eau résiduaire supérieur d'au moins un facteur 3 D'une manière surprenante, il ne reste abso- lument pas, pour les bassins aérés, que des substances dif- ficilement dégradables, qui ne pourraient pas être traitées ou d'une manière insuffisante Dans le lit bactérien 3 à forte charge, en effet, environ 50 % de la charge organique se décompose Dans l'étage à adsorption 7 à forte charge, qui fonctionne de préférence facultativement en mode anaérobie, les substances difficilement dégradables sont décomposées en des substances facilement dégradables La liqueur de sortie de l'étage à adsorption 7 est par suite biologiquement dé- gradable Elle est épurée d'une manière tout à fait satis- faisante pour la charge volumique usuelle des bassins d'aé- ration 1, 2 de 20 à 30 g de DB 05/m 3 j D'autre part, dans cette installation, une durée de post-clarification d'un jour suffit pour obtenir, dans le traitement d'eau résiduaire communale ou dégradable de façon analogue, une DBO 5 en sortie de 15 mg/l Une telle valeur répond aux dispositions de la nouvelle réglementation. REVENDICATIONS 1 Procédé d'exploitation d'une installation d'épuration d'eau résiduaire par aération, comprenant des bassins d'aération, un lit bactérien disposé en amont et un bac de post-clarification, cette installation comportant des bassins d'aération, déjà établis ou à établir,de puis- sance d'aération et de capacité de traitement (évaluée en nombre d'habitants ou d'équivalents-habitants dont les effluents peuvent être traités) données, étant conçue par suite pour un débit d'eau résiduaire (en m 3 par jour) donné, caractérisé par le fait que le lit bactérien ( 3) est conçu et fonctionne en tant que dispositif à forte charge avec une charge volumique située dans la plage de 2 à 12 kg de DBO /m 3 j, de préférence environ 5 kg de DBO /m 3 j, et que via ce lit bactérien à forte charge est amené aux bassins d'aération ( 1, 2) un débit d'eau résiduaire qui est supérieur d'au moins d'un facteur 1,5 au débit d'eau résiduaire classique pour des bassins d'aération. 2 Procédé selon la revendication 1, dans la forme d'exécution comprenant un dispositif de pré-clarifi- cation grossière disposé en amont du lit bactériencaracté- risé par le fait que la pré-clarification grossière est effectuée dans un bac rond traversé transversalement par le courant ou dans un bac allongé, o le sable et la boue gros- se déposent et que le sbleet la bouegrossiere sière/issus'du lspos itf de pré-clarification grossière ( 5) sont amenés, en contournant le lit bactérien ( 3),dans les bassins d'aération ( 1, 2) o ils s'accumulent. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le lit bactérien ( 3) fonctionne avec une vitesse de balayage de 5 m/h ou plus et que la végétation biologique apparaissant dans le lit bactérien ( 3) est expulsée par lavage et de même introduite dans les bas- sins d'aération ( 1, 2) o elle s'accumule. 4 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'entre le lit bactérien ( 3) à forte charge et les bassins d'aération ( 1, 2) est disposé un bac à adsorption ( 7) également à forte charge et que la boue issue du bac à adsorption ( 7) est de même il introduite dans les bassins d'aération ( 1, 2) et s'y dépose. Procédé selon l'une quelconque des reven- dication 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on fait l'apport, en amont du premier bassin d'aération ( 1), d'adents de pré- cipitation, par exemple de sels ferreux. 6 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'eau résiduaire épurée issue du bac de post-clarification ( 4) est introduite dans un biotope humide o elle subit une épuration complé- mentaire. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications I à 6, caractérisé par le fait qu'entre le premier étage de traitement à lit bactérien à forte charge et le deuxième étage d'activation à forte charge sont apportés des agents précipitation, par exemple des sels ferreux. 8 Installation permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant des bassins d'aération, un lit bactérien disposé post- en amont et un bac de klarification, caractérisd par le fait que le lit bactérien ( 3) est conçu en tant que dispositif à forte charge avec une charge volumique située dans la plage de 2 à 12 kg de DBO /m 3 j, et que l'installation dans son ensemble est agencée pour un débit supérieur d'au moins un facteur 1,5 au débit d'eau résiduaire pour lequel les bassins d'aération ( 1, 2) dimensionnés de manière classique sont conçus. 9 Installation selon la revendication 8, caractériséepar le fait que le lit bactérien ( 3) est réalisé avec des éléments en matière plastique et peut être libéré de la végétation biologique par lavage à une vitesse de 5 m/h ou plus. * 10 Installation selon la revendication 8 ou 9, comprenant un dispositif de pré-clarification grossière disposé en amont, dans lequel le sable et la boue grossière se déposent, caractériséepar le fait que le sable et la boue grossière issus du dispositif de pré-clarification grossière ( 5) peuvent être introduits dans les bassins d'aération ( 1, 2) à l'aide d'une pompe mammouth raccordée au dispositif d'a- limentation en air desdits bassins. 1 5 1 6 4 installation selon l'une Quejccmque des , Je,s la form 'lexcut Jon comprenant ur L c:j i-ntc-rr diaire, caractérisée nar le fait que 1 la Fencemen du bac adsorntion ( 7) est raccorde-' au dl&,Iimentat-ic-,i en air ( 6) des 1 'lis dla-"ra'loi ( 1, 2)- h as s-L