Brevet FR2676044A1 — publié le 19921106

INSTALLATION DE NITRIFICATION/DENITRIFICATION BIOLOGIQUE POUR LE TRAITEMENT DES EAUX USEES, PROCEDE DE TRAITEMENT DES EAUX UTILISANT LADITE INSTALLATION L'Invention est relative à une installation de traitement de l'azote contenu dans les eaux usées d'origine urbaine ou industrielle. Les eaux usées contiennent différents composés azotés tels que des protéines, des acides aminés, des amines, de l'urée, des sels d'ammonium. L'élimination de cette pollution azotée est classiquement effectuée par l'action de certaines bactéries, lors d'un processus connu sous le nom de nitrification/dénitrification. La première partie de ce processus, ou nitrification, se déroule en conditions aérobies ; l'azote ammoniacal est oxydé en nitrites par des bactéries telles que les Nitrosomas, puis en nitrates par des bactéries du type Nitrobacter. Le deuxième stade de ce processus, la dénitrification, s'effectue en conditions anaérobies. En l'absence d'oxygène, des bactéries hétérotrophes, anaérobies facultatives, tirent leur énergie de la réduction des nitrates en nitrites, puis en azote. Au cours de cette étape, les bactéries dénitrifiantes utilisent également un substrat carboné comme donneur d'électron. Ce processus contribue donc également à l'élimination de la DBO des eaux traitées. L'ensemble du processus de nitrification/ dénitrification est très sensible à différentes variables du milieu réactionnel ; le pH, la température, le potentiel d'oxydoréduction, la présence d'oxygène (qui inhibe la dénitrification). Ces variables sont sous l'influence de conditions extérieures telles que le climat, ou la composition des effluents à traiter, et dépendent également des différentes souches bactériennes présentes dans le milieu réactionnel. Un équilibre entre ces souches doit être établi à chaque étape pour maintenir, en particulier, des conditions de pH et de potentiel d'oxydoréduction satisfaisantes. Traditionnellement, les procédés de nitrification/dénitrification sont mis en oeuvre dans des bassins à boue activée. Toutefois, ces équipements ne fonctionnent de façon satisfaisante qu'à faible charge (0,2 à 0,3 kg d'azote transformé/m3 de réacteur/jour pour l'étape de nitrification ; 1 à 1,5 kg d'azote transformé/m3 réacteur/jour pour l'étape de dénitrification). Des réacteurs à lit bactérien fixe ont également été développés. Ces équipements peuvent fonctionner à des charges 5 fois plus élevées que les précédents. Toutefois, le gain de compacité ainsi obtenu n'est pas suffisant pour permettre le traitement d'effluents sur les sites industriels, où la surface au sol disponible est faible. D'autre part, l'utilisation de réacteurs à lit bactérien fluidisé a été proposée pour éliminer la pollution carbonée. Ces réacteurs présentent l'avantage d'avoir un encombrement au sol bien moindre que les bassins à boue activée et les réacteurs à lit bactérien fixe, tout en permettant des taux d'épuration de la pollution comparables. La Demande de Brevet Européen 0090 450 au nom de GIST-BROCADES qui a pour objet un réacteur à lit bactérien fluidisé, cite en art antérieur différentes réalisations effectuées dans ce domaine, et indique également les problèmes posés sur l'utilisation des lits fluidisés biologiques. Ces problèmes résident essentiellement dans la difficulté d'assurer une fluidisation homogène des particules constituant le lit fluidisé, ainsi qu'une fixation optimale des bactéries sur ces particules, en une couche ni trop mince, ni trop épaisse, l'ensemble devant assurer des conditions optimales pour la-meilleure dégradation du substrat (effluents à traiter) par les bactéries. Il apparaît toutefois que les solutions qui ont été proposées concernent essentiellement des installations de traitement de la pollution carbonée, et ne sont pas directement adaptables au traitement de la pollution azotée, qui fait appel à d'autres microorganismes, exigeant des conditions différentes Les Inventeurs ont maintenant mis au point un dispositif de traitement des eaux, spécialement adapté pour la mise en oeuvre des processus de nitrification/ dénitrification biologiques. La présente Invention a pour objet une installation de nitrification/dénitrification biologique pour le traitement des eaux usées, laquelle installation comprend au moins un réacteur de nitrification et un réacteur de dénitrification, dont l'un au moins est à lit fluidisé, ainsi que des moyens usuels d'apport et de rejet des effluents et des gaz, et de contrôle du processus et est caractérisée en ce que - dans chacun des réacteurs montés en double cascade, la biomasse est fixée sur les particules d'un lit fluidisé constitué par un support poreux, de densité spécifique comprise entre 1700 et 3000 kg/m3, de porosité massique totale comprise entre 300 et 700 mm3/g, et de granulométrie moyenne comprise entre 200 et 600 pin pour le réacteur de nitrification et 400 et 1000Fm pour le réacteur de dénitrification - un circuit de recyclage est associé à chaque réacteur - un circuit permet d'assurer la communication entre les deux réacteurs chacun de ces circuits étant muni d'un dispositif de contrôle du débit. Les caractéristiques du support poreux sur lequel sont fixées les bactéries ont été choisies en fonction des besoins spécifiques des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes, pour leur assurer des conditions optimales de croissance et d'action. Selon un mode de réalisation préféré de l'Invention, la porosité massique totale du support de fixation des bactéries est la somme - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre inférieur à 1clam comprise entre 60 et 110 mm3/g), - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre compris entre 1 et 10 Rm comprise entre 20 et 40 mm3/g), - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre supérieur à 10 Rm comprise entre 310 et 550 mm3/g). Selon une disposition préférée de ce mode de réalisation, le support de fixation des bactéries est constitué par de l'argile cuite broyée. Les Inventeurs ont constaté que, de façon surprenante, l'argile cuite généralement utilisée pour la réalisation de revêtements de cours de tennis, convenait particulièrement pour la réalisation du support de fixation des bactéries. Les circuits de recyclage permettent d'optimiser les conditions hydrauliques dans chacun des réacteurs, en permettant la régulation de la fluidisation et contribuent à assurer, dans chaque réacteur, des conditions optimales de pH, et de dilution des différents formes d'azote présentes dans l'effluent. L'Invention a également pour objet un procédé de purification des eaux usées, lequel procédé est caractérisé - en ce qu'il utilise l'installation de nitrification/dénitrification décrite plus haut, - en ce que, dans le réacteur de nitrification, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de manière à obtenir une concentration en biomasse, (exprimée en poids de matière organique) de 10 à 15 g/l et une épaisseur de biofilm comprise entre 10 et 20 ;; le débit de l'effluent à traiter et/ou le débit de effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisation comprise entre 10 et 30 m/h, - et en ce que, dans le réacteur de dénitrification, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de façon à obtenir une concentration en biomasse de 15 à 30 g/l et une épaisseur de biofilm comprise entre 100 et 250;im ; le débit de effluent provenant du réacteur de nitrification et/ou le débit de l'effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisation comprise entre 25 et 70 m/h. La présente Invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère, d'une part aux dessins annexés et d'autre part, à un exemple de réalisation et d'utilisation d'une installation conforme à l'invention. I1 va de soi toutefois que les dessins annexés et l'exemple qui va suivre sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. La figure 1 représente une installation conforme à l'invention. Une canalisation (1) assure l'arrivée de l'effluent provenant du réacteur de dénitrification dans un distributeur (2) placé au fond du réacteur de nitrification (3) contenant les particules solides (4) sur lesquelles sont fixées les bactéries nitrifiantes. Un circuit d'aération (5) assure l'apport d'air dans ce réacteur. Un circuit de recyclage (6) qui peut être ouvert ou fermé à volonté s'ouvre en sortie du réacteur et aboutit dans le distributeur (2). Un conduit (7) permet la sortie de l'air appauvri en oxygène. Un circuit (8) permet le recyclage d'une partie de l'effluent traité vers le dispositif de distribution (9) placé en base du réacteur de dénitrification (10). Une conduite (15) permet l'évacuation de l'effluent traité. Le réacteur de dénitrification est également pourvu d'un circuit de recyclage (11), d'un circuit (12) permettant l'apport d'un substrat carboné (par exemple l'effluent brut), d'une sortie (13) des gaz résultant de la fermentation (N2 + CO2), d'une entrée (14) de effluent à traiter et d'une sortie (1) de l'effluent vers le réacteur de nitrification (3). EXEMPLE DE REALISATION D'UNE INSTALLATION CONFORME A L'INVENTION A. - CARACTERISTIOUES DE L'EFFLUENT A TRAITER ORIGINE DE L'EFFLUENT : PROCESS CHIMIQUE, NOTAMMENT PETROCHIMIE, NUCLEAIRE OU PHARMACIE Effluent : Rejet de la station d'épuration de l'usine (sortie clarificateur) avec fourniture éventuelle de DCO complémentaire pour l'étape de dénitrification, par apport d'effluent brut en sortie de neutralisation - EFFLUENT A TRAITER ~~~~~~ VALEURS MOYENNES VALEUR MAXIMUM - DCO : 600 mg/l 1200 mg/l - DB05 : 200 mg/l 400 mg/l - NH4 : 300 mg/l 450 mg/l - MES :200 mg/l 800 mg/l - DCO/N : 2,6 3,4 - pH :7,4 7,8 - Température : 25 C 38 C - EFFLUENT D'APPORT DE DCO (entrée station après neutralisation) - Valeurs moyennes - DCO : 4000 mg/l - DBO5 : 2000 mg/l - NH4 : 250 - N-TK : 300 - DCO/N : 13,3 - pH : 7,4 - Température : 25'C. B. - OBJECTIF DE OUALITE POUR L'EFFLUENT TRAITE L'objectif de qualité de l'effluent en sortie de traitement doit correspondre, à une teneur résiduelle en N total de 38 mg/l. On vise donc des taux d'élimination de l'azote proches de 85% par rapport à la valeur moyenne de l'effluent à traiter (300 mg/l de NH4 soit 235 mg/l de N). C - EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT ET DE CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT D'UNE INSTALLATION SELON L'INVENTION 1) Fermenteur de nitrification 1.1. - Dimensionnement du fermenteur de nitrification Charge volumétrique maximale en azote : environ 4 kg N-NH4+/m3 de support fluidisé/j Quantité maximale d'azote traitée : environ 16 kg N-NH4+/j Volume de support fluidisé : environ 4 m3 Diamètre du fermenteur : environ 1,5 m Volume total du fermenteur : 7,5 m3 env. Volume en eau : 6 m3 env. Taux d'expansion du lit fluidisé : 2 1.2. - Suscort de la biomasse nitrifiante Argile cuite broyée (valeurs moyennes) - Granulométrie : 350 Am - Densité spécifique : 2000 kg/m3 - Porosité massique totale : 500 mm3/g - Porosité 10 Rm : 400 mm3/g 1.3 - Conditions de fonctionnement du fermenteur de nitrification .Conditions de fonctionnement hydrauliques Taux de recyclage entre les 2 fermenteurs : QL = 9 Qa Le Rapport Or = débit de recvclaae Qa débit d'alimentation conditionne en effet le taux d'épuration sur l'azote total, puisque le rejet de l'effluent traité s'effectue au niveau du réacteur de nitrification : pour obtenir un taux d'épuration sur l'azote total 2 85%, il faut Or 2 8,5 Qa - à la charge volumétrique maximale prévue (4 kg de N-NH4/m3, de support fluidisé/j) le débit d'effluent maximum est d'environ 75 m3/j. Le temps de séjour minimum de l'effluent dans la zone fluidisée est, dans ces conditions, d'environ 8 minutes. La vitesse de passage correspondante est de l'ordre de 20 m/h ; cette vitesse est suffisamment élevée pour assurer la fluidisation. Le débit horaire correspondant est de 30 m3/h environ. Pour obtenir une fluidisation correcte avec une vitesse de 20 m/h, les conditions suivantes ont été retenues: Masse volumétrique du support : Pp = 2200 kg/m3 Granulométrie du support : 300 - 500 Am Taux d'expansion moyen du lit fluidisé : 1,5 1.4 - Conditions de culture de la biomasse nitrifiante . pH régulé : valeur mini : 6 ; valeur maxi 7,5 Température régulée : mini : 15 C - maxi 35 C . Apport d'oxygène La nitrification met en oeuvre 2 réactions biochimiques NH4±3/2 2 NO2- + 1/2 2 - > NO3 soit une consommation théorique de 2 moles d'O2 par mole de NH4+ oxydée. Pour 300 mg de NH4+ par litre d'effluent, les besoins théoriques en 02 sont donc d'environ : 1000 mg d' 2 par litre d'effluent traité, soit pour le débit maximum d'effluent prévu, un besoin en 2 de 2,5 Nm3 d'O2/h. L'oxygénation étant réalisée par apport d'air, en prenant en coefficient d'oxygénation de 10%, le débit d'air nécessaire est d'environ 120 Nm3/h d'air. De façon à ne pas perturber la fluidisation, on utilisera un dispositif d'oxygénation générant des microbulles et on veillera à maintenir une teneur minimale de 2 mg/l en 2 dissous dans le fermenteur de nitrification. 2) Fermenteur de dénitrification 2.1. - Dimensionnement du fermenteur de dénitrification . Charge volumétrique maximale en azote : environ 20 kg N-NO3#/m3 de support fluidisé/j . Quantité maximale d'azote traitée : environ 16 kg N-NO3 /j . Volume de support fluidisé : environ 1 m3 Diamètre du fermenteur : 0,8 m . Hauteur totale du fermenteur : 3 m . Volume total du fermenteur : 1,5 m3 . Volume en eau : 1,35 m3 . Taux d'expansion maximum du lit fluidisé : 2 2.2. - Support de la biomasse dénitrifiante Argile cuite broyée Granulométrie moyenne : 650 pin. Les autres caractéristiques sont identiques à celles du support utilisé pour la biomasse nitrifiante. 2.3 - Conditions de fonctionnement du fermenteur de dénitrification . Conditions de fonctionnement hydrauliques - Débit maximum d'effluent traité : Qa = 75 m3/j - Débit maximum à l'entrée du fermenteur : environ 30 m3/h - Temps de séjour minimum de l'effluent dans la zone fluidisée de l'ordre de 2 mn - Vitesse de passage correspondante : environ 60 m/h Cette vitesse élevée permettra la fluidisation sous réserve d'utiliser un support de granulométrie élevée. Les conditions de fluidisation retenue sont les suivantes :. Masse volumétrique du support : Pp = 2200 kg/m3 Granulométrie du support : 600 - 1000 pin 2.4. - Conditions de culture de la biomasse dénitrifiante pH régulé : valeur mini : 6,5 à 7,5 . Température régulée : mini : 15 C - maxi 35 C . Teneur en O2 dissous dans l'eau Pour assurer une dénitrification complète de l'effluent entrant dans le fermenteur de dénitrification, un apport de carbone est nécessaire. On prend comme base un rapport DCO = 3 N-NO3 qui est suffisant sous réserve que la DCO soit assimilable par les microorganismes dénitrifiants. Si un appoint en DCO est nécessaire il sera effectué sous forme d'effluent brut. Il doit être bien entendu que l'exemple qui précède ne représente qu'un mode particulier de réalisation et de mise en oeuvre d'une installation conforme à l'Invention. L'Invention ne se limite nullement à ce mode particulier de réalisation ; elle en englobe au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente Invention. REVENDICATIONS 1) Installation de nitrification/dénitrification biologique pour le traitement des eaux usées, laquelle installation comprend au moins un réacteur de nitrification et un réacteur de dénitrification dont l'un au moins est à lit fluidisé, ainsi que des moyens usuels d'apport et de rejet des effluents et des gaz et de contrôle du processus, et est caractérisée en ce que - dans chacun des réacteurs montés en double cascade, la biomasse est fixée sur les particules d'un lit fluidisé constitué par un support poreux, de densité spécifique comprise entre 1700 et 3000 kg/m3, de porosité massique totale comprise entre 300 et 700 mm3/g, et de granulométrie moyenne comprise entre 200 et 600 pin pour le réacteur de nitrification et 400 et 1000 pin pour le réacteur de dénitrification - un circuit de recyclage est associé à chaque réacteur - un circuit permet d'assurer la communication entre les deux réacteurs ; chacun de ces circuits étant muni d'un dispositif de contrôle du débit. 2) Installation selon la Revendication 1, caractérisée en ce que la porosité massique totale du support de fixation des bactéries est la somme - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre inférieur à 1 pin comprise entre 60 et 110 mm3/g), - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre compris entre 1 et 10 pin comprise entre 20 et 40 mm3/g), - d'une porosité correspondant à des pores de diamètre supérieur à 10 pin comprise entre 310 et 550 mm3 /g) 3) Installation selon l'une quelconque des Revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le support de fixation des bactéries est constitué par de l'argile cuite broyée. 4) Procédé de purification des eaux usées, lequel procédé est caractérisé - en ce qu'il utilise l'installation de nitrification/dénitrification selon, l'une quelconque des Revendications 1 à 3. - en ce que, dans le réacteur de nitrification, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de manière à obtenir une concentration en biomasse, (exprimée en poids de matière organique) de 10 à 15 g/l et une épaisseur de biofilm comprise entre 10 à 20pin ; le débit de l'effluent à traiter et/ou le débit de l'effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisation comprise entre 10 et 30 m/h, - et en ce que, dans le réacteur de dénitrification, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de façon à obtenir une concentration en biomasse de 15 à 30 g/l et une épaisseur de biofilm comprise entre 100 et 250pin ; le débit de l'effluent provenant du réacteur de nitrification et/ou le débit de l'effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisation comprise entre 25 et 70 m/h.