Brevet FR2714045A1 — publié le 19950623

L'invention concerne un procédé d'épuration des eaux usées avec dénitrification, et concerne notamment l'épuration des eaux usées domestiques, urbaines ou industriel les ou toutes eaux contenant des polluants ou impuretés en solution et en suspension, ces polluants et impuretés étant susceptibles d'être éliminés par voie biologique. L'épuration des eaux usées est effectuée à l'heure actuelle essentiellement par un procédé consistant a provoquer le développement, en présence d'oxygène, d'une culture bactérienne dispersée (encore appelée culture libre ou boues activées) dans des bassins de traitement ou réacteurs biologiques, puis, après un contact suffisant, à séparer l'eau épurée des boues par décantation dans un clarificateur, une partie des boues étant recirculée dans un des bassins de traitement afin d'y maintenir une concentration suffisante en bactéries épuratrices tandis que le reste, représentant les boues activées en exces, est évacué de l'installation. Un tel procédé d'épuration cherche tant à éliminer la pollution carbonée organique qu 'h oxyder la pollution azotée au cours d'une étape de nitrification. Par incorporation de périodes ou de bassins de contact entre les boues activées et les eaux a traiter en l'absence d'oxygène (contact anoxique) > on peut amener les microorganismes heterotrophes contenus dans les boues activées a degrader, en présence de carbone, les nitrates en azote gazeux en effectuant ainsi une dénitrification. En outre, en faisant subir aux microorganismes une alternance systématique des conditions anaérobies (c'est-à-dire absence d'oxygène et de nitrates) et aérobies, on peut provoquer une suraccumulation de composés phosphorés dans les microorganismes et donner ainsi lieu à une déphosphatation biologique des eaux usées. L'un des problèmes qui se pose est celui de la dénitrification dont la cinétique joue un rôle important sur le dimensionnement du bassin dans lequel elle est réalisée. La dénitrification est obtenue de deux manières par respiration endogène, avec consommation du carbone stocké dans les boues activées, avec une cinétique qui est de l'ordre de 0,9 mg d'azote nitrique par gramme de matières volatiles et par heure; avec consommation de carbone facilement assimilable, avec une cinétique de l'ordre de 3 mg d'azote nitrique par gramme de matières volatiles et par heure. Cette deuxième solution paraît donc nécessaire afin de diminuer les dimensions des bassins de dénitrification. En pratique, on se heurte toutefois au problème suivant. De manière générale, le carbone rapidement assimilable dans un effluent urbain représente environ 60 X de la DB05 des eaux brutes à traiter, les 2/3 de ce carbone rapidement assimilable étant rattaché aux matières en suspension. L'utilisation d'un décanteur primaire, ayant pour role d'éliminer une partie des matières en suspension, pénaliserait donc la dénitrification. On pourrait alors supposer que l'absence de décantation primaire favoriserait la dénitrification. Ceci n'est pas exact car la production des nitrates n'est pas instantanée et nécessite l'élimination préalable de la DBO. Pour remédier & cet inconvénient, on place en tête une zone d'anoxie, où sont recyclés les nitrates produits dans le bassin d'aération, et où arrive l'effluent brut. Cependant, cette disposition implique que l'apport de carbone par l'eau brute soit stoechiométriquement équivalent a la quantité de nitrates recyclés, ce qui n'est pas toujours le cas; en particulier, après une période de pointe, il est nécessaire de traiter une forte quantité d'azote nitrique, alors que l'effluent brut est revenu & un niveau normal de DBO. En outre, on constate que, quelque soit la configuration de la ligne de traitement utilisée pour effectuer une dénitrification avec consommation du carbone facilement assimilable, il est nécessaire de compléter par une dénitrification endogène, soit dans le réacteur biologique principal soit dans un réacteur annexe. L' invention résoud ces problèmes en fournissant un procédé d'épuration des eaux usées par voie biologique, comprenant au moins une étape d'élimination de la pollution carbonée, une étape de nitrification et une étape de dénitrification se succédant dans le temps dans au moins un réacteur biologique, caractérisé en ce qu'on separe dans un décanteur au moins une partie des matières en suspension dans les eaux usées à traiter, ladite séparation étant effectuee avant l'introduction des eaux usées dans l'étape d'élimination de la pollution carbonée, et on utilise, avec retard et selon les besoins, dans l'étampe de dénitrification au moins une partie des matières en suspension ainsi séparées. L'application de ce procedé revient en fait à stocker provisoirement une partie de la pollution particulaire à laquelle est associée une partie importante du carbone facilement assimilable, et a l'utiliser dans la dénitrification lorsqu'apparaissent les nitrates résuitant de la transformation de l'azote ammoniacal initialement présent avec la pollution particulaire séparée. Ceci se révèle particulièrement intéressant lors de pointes de pollution. De manière particulièrement avantageuse, les matières en suspension décantées peuvent elles-mêmes être séparées en une portion contenant le carbone facilement assimilable (colloides, fines particules, etc. ) et une partie contenant du carbone difficilement biodégradable (boues minérales lourdes, etc.) de manière a utiliser dans l'étape de dénitrification seulement la portion contenant le carbone facilement assimilable. On peut en outre réguler l'introduction du carbone facilement assimilable dans le bassin de dénitrification, en fonction de la teneur en azote nitrique contenu dans ce bassin. On sait dans la technique mesurer cette teneur en azote nitrique de manière continue et asservir le débit d'introduction des matières solides décantées à cette valeur ainsi mesurée. Le procédé selon la présente invention peut s'appliquer à diverses variantes d'un procédé d'épuration des eaux par voie biologique, citées cidessous à titre d'exemple - l'étape d'oxydation de la pollution carbonée, l'étape de nitrification et l'étape de dénitrification s'effectuent dans le même réacteur biologique, les deux premières étapes s'effectuant dans des conditions aérobies et la troisième étape s'effectuant dans des conditions anoxies, le réacteur fonctionnant alternativement en aerobiose et en anoxie; dans ce cas, on utilise de préférence deux réacteurs dont l'un fonctionne en aérobiose tandis que l'autre fonctionne en anoxie; - une étape d'oxydation de la pollution carbonée et une étape de nitrification s'effectuent dans un réacteur biologique et l'étape de dènitrification s'effectue dans un réacteur biologique en amont du réacteur d'oxydation et de nitrification, une partie du contenu du réacteur d'oxydationVnitrification étant recyclée au réacteur de dénitrification; - une étape de déphosphatation peut être rajoutée aux variantes précédentes, cette étape s'effectuant dans un réacteur biologique anaérobie situé en amont du réacteur dans lequel s'effectue la dénitrification, les eaux usées séparees des boues activées recueillies en fin de chaîne étant recyclées dans ce réacteur anaérobie. Ce réacteur anaérobie peut être situé en amont ou en aval du décanteur primaire. Afin d'améliorer encore la séparation de la pollution particulaire, on peut mettre en oeuvre, avant le décanteur primaire, un reacteur de biosorption dans lequel les eaux à traiter sont mises en contact avec des boues activées séparées dans le clarificateur final. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture détaillée des exemples de réalisation, donnés simplement à titre illustratif et non limitatif, avec référence aux figures 1 à 5 qui représentent schématiquement des procédés d'épuration d'eaux usees selon la présente invention. Sur les figures, les numeros de référence identiques se rapportent a des éléments identiques. Selon le schéma de la figure 1, les eaux brutes à traiter sont amenées par la conduite A dans un décanteur primaire 1 ou se déposent au moins en partie des matières en suspension (MES). Les eaux brutes au moins en partie débarrassees de la pollution particulaire, et contenant la pollution soluble, sont dirigées par une conduite B vers un bassin de traitement. On peut envisager de n'utiliser qu'un seul bassin de traitement fonctionnant alternativement en aérobiose et en anoxie, pour effectuer l'oxydation de la pollution carbonée et la nitrification en aérobiose puis la dénitrification en anoxie. Toutefois il est plus intéressant pour des raisons économiques de disposer de deux bassins 3, 3a fonctionnant alternativement en aérobiose et en anoxie. Un système de conduites et de vannes permet de faire passer le contenu d'un bassin à un autre. Les eaux traitées sortent des bassins par la conduite C et sont dirigées vers un clarificateur 8 où se déposent les boues activees. L'effluent traité sort en D tandis que les boues activées sont recyclées par la conduite E en tête des bassins de traitement, l'excès de boues activées étant purgé périodiquement ou continuellement. Les matières en suspension séparées dans le décanteur primaire 1 sont amenées dans un bassin 2 où elles sont stockées provisoirement. Elles sont ensuite renvoyées par la conduite F dans celui des bassins 3, 3a qui fonctionne en anoxie. De cette manière, si une pointe de pollution se présente en A, on sépare la pointe de pollution soluble de la pointe de pollution particulaire, on traite la pollution soluble pour éliminer ie carbone et former les nitrates et on stocke en 2 la pollution particulaire contenant une pointe de carbone facilement assimilable. Lorsque le temps nécessaire à la production des nitrates s'est écoulé, on met le bassin qui les contient en anoxie et on y envoie la pollution particulaire stockée en 2. L'écoulement depuis le réservoir 2 vers le bassin en anoxie peut également se faire en continu, à condition que le temps de séjour dans le réservoir 2 introduise un retard suffisant pour que l'arrivee d'une pointe de pollution particulaire coincide avec l'arrivée de la pointe d'azote nitrique correspondante. Si l'on considère que la production de nitrates nécessite environ 2 h, il faut que le bassin 2 retarde de 2 h la pollution particulaire par rapport à la pollution soluble qui l'accompagnait. On peut profiter du passage de la pollution particulaire dans le réservoir 2 pour séparer les matières contenant du carbone facilement assimilable des matières contenant du carbone difficilement biodégradable, c'est-à-dire dans le premier cas les colloides, les particules légères et dans l'autre cas essentiellement les boues minérales lourdes. La figure 2 represente l'application de la présente invention à une autre variante classique d'une installation d'épuration des eaux usées, comportant une zone de nitrification 4 en amont d'une zone d'anoxie 5 et d'une zone d'oxydation du carbone résiduel 3b. Le principe d'une telle installation et les différents flux de recyclage sont bien connus de l'homme de métier et ne nécessitent pas d'explication particulière. L'utilisation d'un décanteur primaire 1 et du stockage des matières en suspension séparées dans le réservoir 2 permet là aussi d'introduire un retard dans l'introduction de la pollution particulaire contenant du carbone facilement assimilable dans la zone d'anoxie 5 et donc de faire coïncider une pointe de carbone assimilable avec une pointe d'azote nitrique. Les figures 3 et 4 représentent des schémas analogues à celui de la figure 2, mais dans lequels on a introduit une zone anaérobie 6, soit en amont de la zone d'anoxie 5 (figure 3) soit en amont du décanteur primaire 1 (figure 4). Une telle zone d'anaérobie permet d'effectuer la déphosphatation biologique des eaux usées. On notera que selon le schéma de la figure 4, le renvoi des boues activees provenant du clarificateur dans la zone d'anaerobie 6, en amont du décanteur primaire 1, provoque une biosorption qui améliore la séparation dans le décanteur primaire 1. On peut donc aboutir au schéma de la figure 5, qui correspond à celui de la figure 3 mais avec adjonction d'un réacteur de biosorption 7 en amont du décanteur primaire, la zone anaérobie de dephosphatation 6 se trouvant placée entre le réservoir 2 et le bassin en anoxie 5. Les boues activées provenant du clarificateur 8 sont alors renvoyées dans le bassin de biosorption 7. Il est entendu que d'autres variantes peuvent être envisagées et que l'invention réside essentiellement dans le fait que l'on sépare la pollution soluble de la pollution particulaire et que l'on retarde l'introduction de celle-ci dans la zone de dénitrification afin de disposer d'une quantité importante de carbone facilement assimilable en présence d'une quantité importante d'azote nitrique a dénitrifier. REVENDICATIONS 1.- Procedé d'épuration des eaux usées par voie biologique, comprenant au moins une étape d'élimination de la pollution carbonée une étape de nitrification et une étape de dénitrification se succédant dans le temps dans au moins un réacteur biologique, caractérisé en ce qu'on sépare dans un décanteur au moins une partie des matières en suspension dans les eaux usées à traiter, ladite séparation étant effectuée avant l'introduction des eaux usées dans l'étape d'élimination de la pollution carbonée, et on utilise, avec retard et selon les besoins, dans l'étape de dénitrification au moins une partie des matières en suspension ainsi séparées. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sépare en outre les matières en suspension décantées en une portion contenant le carbone facilement assimilable et en une portion contenant le carbone difficilement biodégradable. et on utilise dans l'étape de dénitrification ladite portion contenant le carbone facilement assimilable. 3.- Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on utilise deux réacteurs fonctionnant alternativement en aerobiose et en anoxie, l'élimination de la pollution carbonée et la nitrification se faisant dans celui des réacteurs qui fonctionne en aérobiose tandis que la dénitrification se fait dans celui des reacteurs qui fonctionne en anoxie. 4.- Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérise en ce qu'on utilise un réacteur de nitrification fonctionnant en aérobiose disposé en amont d'un réacteur fonctionnant en anoxie pour la dénitrification et d'un réacteur fonctionnant en aérobiose pour l'élimination de la pollution carbonée résiduelle. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on introduit une étape de déphosphatation dans un réacteur biologique fonctionnant en anaérobiose, disposé en amont du réacteur de dénitrification fonctionnant en anoxie. 6.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on introduit une étape de déphosphatation dans un réacteur biologique fonctionnant en anaérobiose, disposé en amont du décanteur de matières en suspension. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue une biosorption dans un réacteur disposé en amont du décanteur de matières en suspension, réacteur de biosorption dans lequel on recycle une partie des boues activées séparées de l'eau traitée. 8.- Installation de traitement des eaux usées comprenant au moins un réacteur biologique (3, 3a) fonctionnant alternativement en aérobiose et en anoxie, caractérisée en ce qu'elle comporte un décanteur (1) permettant de séparer au moins une partie des matières en suspension et un réservoir (2) de stockage des matières en suspension séparées qui sont envoyées dans le réacteur (3, (3 > 3a) fonctionnant en anoxie. 9.- Installation pour le traitement d'eaux usées comprenant au moins un réacteur (3b) d'élimination du carbone, un réacteur (4) de nitrification et un réacteur (5) de dénitrification, caractérisée en ce qu'elle comporte un décanteur (1) de matières en suspension et un réservoir (2) de stockage des matières en suspension séparées qui sont envoyées au réacteur de dénitrification (5).