Brevet FR2725193A1 — publié le 19960405

Procédé de traitement biologique d'un effluent incluant une étape de post-dénitrification et installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne le domaine du traitement des eaux. Plus précisément, l'invention concerne les processus de nitrificationdénitrification par voie biologique pouvant être appliqués à tous les effluents aqueux chargés en nitrates ou en ammoniaque, tels que notamment, les eaux usées domestiques et les eaux usées industrielles. L'élimination de la pollution azotée se présentant sous forme d'ammoniaque est classiquement réalisée par voie biologique selon la méthode dite des boues activées. Cette méthode consiste à faire subir auxdites eaux une étape de nitrification, au cours de laquelle l'azote ammoniacal est transformé par une biomasse en nitrates et une étape de dénitrification, au cours de laquelle les nitrates sont réduits par une biomasse en nitrites puis en azote gazeux. L'étape de nitrification est effectuée grâce à des bactéries aérobies consommant de l'oxygène apporté au milieu tandis que l'étape de dénitrification est effectuée grâce à des bactéries qui consomment l'oxygène des nitrates en l'absence d'oxygène moléculaire. Cette transformation peut être réalisée soit dans un réacteur unique en ménageant des temps d'aération et de non aération, soit dans des bassins séparés, I'un fonctionnant en anoxie, L'autre en aérobie. Dans un tel cas de figure, il est classique de placer le bassin fonctionnant en anoxie en tête des ouvrages. 11 faut alors recirculer une partie de la liqueur mixte provenant du bassin aéré pour acheminer les nitrates formés dans ce bassin en tête d'installation. L'effluent provenant du traitement biologique est ensuite dirigé vers un clarificateur final permettant de séparer l'effluent des boues formées. Une partie de ces boues est réacheminée en tête d'installation. L'étape de dénitrification réalisée grâce à la biomasse peut être globalisée par la réaction d'oxydoréduction suivante: NO3- + 2H+ + Se- e 1/2 N2 + H2O En fait, différentes étapes interviennent au cours de cette réaction: HNO3+ 2H+ + 2e- o HNO2 + H20 HNO2 + 2H+ + 2e- H2N202 + 2H+ +2e- Ces différentes réactions dépendent de nombreux paramètres et notamment du pH, de la température, de la concentration en oxygène dissous et de la concentration en source carbonée, qui constitue la principale source d'électrons du milieu. Le traitement des nitrates par voie biologique permet une élimination correcte de ces composés. Toutefois, il a été démontré que le rendement de la dénitrification est une fonction croissante de la concentration en source carbonée que l'on peut exprimer par la Demande Chimique en Oxygène du milieu. Si une déficience en donneurs d'électrons survient, c'est-à-dire si le milieu réactionnel est trop pauvre en carbone organique soluble disponible, la réaction de dénitrification est incomplète. Or, dans certains cas de figure, le rapport entre la Demande Chimique en Oxygène présente dans le milieu à traiter et la quantité de nitrates présents dans ce même milieu (rapport DCO/ N.NO3) est insuffisant pour permettre de réduire la totalité des nitrates. C'est le cas notamment de nombreux rejets d'origine industrielle. Afin de résoudre ce problème, il a déjà été proposé dans l'état de la technique de palier la carence endogène en carbone du milieu traité par un apport, au cours de l'étape de dénitrification, d'une source de carbone exogène pouvant être dégradée par la biomasse à laquelle elle sert de substrat. Ainsi, le méthanol est le composé le plus fréquemment utilisé pour enrichir en carbone un milieu à dénitrifier. D'une façon classique, l'apport de carbone exogène est toujours effectué lors de l'étape de dénitrification en milieu anoxique, en début de traitement. ll a été constaté qu'un tel apport de carbone exogène pour l'obtention de résiduels en nitrates bas dans l'effluent traité était subordonné à l'utilisation de quantités de méthanol relativement importantes du fait d'une diminution des cinétiques. Un tel phénomène résulte du fait qu'une partie du carbone exogène introduit au cours de l'étape de dénitrification est en fait utilisé par la biomasse travaillant dans la zone aérobie. Les nitrates sont produits en zone aérobie par la biomasse nitrifiante. Pour atteindre de faibles résiduels en nitrates dans l'effluent traité, il est donc nécessaire d'augmenter la recirculation de la liqueur mixte provenant du bassin d'aération vers le bassin amont fonctionnant en anoxie. Une telle augmentation de la recirculation entraîne une dilution des nutriments et donc une diminution des cinétiques de biotransformation. Les procédés de l'état de la technique mettent ainsi en oeuvre un taux de recirculation généralement compris entre 300% à 400% et même plus pour l'obtention de niveaux de qualité conformes à la norme française NGL2. Les procédés biologiques de nitrification-dénitrification de l'état de la technique pour le traitement des effluents présentant un faible rapport DCO/N et requérant un apport de carbone exogène, présentent donc l'inconvénient de nécessiter des quantités importantes de source carbonée pour l'obtention de résiduels de nitrates bas dans l'effluent traité. Il en résulte une augmentation notable de leurs coûts de mise en oeuvre. Si les quantités de sources carbonées utilisées ne sont pas suffisamment importantes, le résiduel de nitrates dans l'effluent traité est plus important. De plus, il risque de se produire un dénitrification sauvage des boues au niveau du clarificateur qui comprend un dégazage de l'azote sous forme gazeuse. Un tel dégagement d'azote entraîne une flottation des boues, l'azote gazeux se fixant dans le flocon biologique et le rendant plus léger que l'eau. Une partie de ces boues se trouve ainsi rejeté avec l'effluent épuré et il est donc difficile de maintenir le taux de matières en suspension de l'effluent rejeté à une valeur acceptable. L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé biologique de traitement d'effluents aqueux par boues activées mettant en oeuvre un apport de source carbonée exogène ne présentant pas les inconvénients des procédés de l'état de la technique. Un objectif de l'invention est également de présenter un tel procédé permettant d'obtenir un meilleur taux d'abattement des nitrates dans l'effluent traité que les procédés de l'état de la technique. Une autre objectif de la présente invention est de décrire un tel procédé permettant de minimiser l'apport de source carbonée exogène. Egalement un autre objectif de l'invention est de présenter un procédé permettant une élimination de la pollution carbonée aussi bonne que dans les procédés de l'état de la technique. Encore un objectif de la présente invention est de décrire une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ne présentant pas des dimensions augmentées par rapport aux installation classiques de l'état de l'art. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement d'un effluent aqueux incluant une étape de dénitrification biologique en milieu anoxique suivie d'une étape de nitrification biologique en milieu aéré et d'une étape de clarification finale, une partie de la liqueur mixte provenant de ladite étape de nitrification et une partie des boues provenant de la clarification étant recirculées en dénitrification, ledit procédé incluant une étape consistant à ajouter une source de carbone exogène audit effluent pour augmenter son rapport DCO/N, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend, à l'aval de la recirculation provenant de l'étape de nitrification, une étape de post-dénitrification en milieu anoxique de l'effluent provenant de ladite étape de nitrification et en ce que ladite étape d'apport d'une source de carbone exogène est effectuée au cours de ladite étape de postdénitrification. Ainsi l'invention propose à la fois de prévoir une post-dénitrification de l'effluent de façon à renforcer la dénitrification et un apport de source carbonée au niveau de cette post-dénitrification et non plus en tête de traitement comme l'indiquait l'art antérieur. Cette combinaison de moyens permet d'obtenir une synergie aboutissant à un accroissement important de l'abattement du taux de nitrates de l'effluent traité tout en économisant la source de carbone exogène. Préférentiellement, le procédé comprend une étape supplémentaire de réoxygénation de l'effluent provenant de ladite étape de post-dénitrification, ladite étape de réoxygénation étant mise en oeuvre avant la clarification finale. Une telle réoxygénation permet d'assurer l'obtention d'un résiduel d'oxygène dans l'effluent, d'affiner l'élimination de la pollution carbonée et donc de réduire les problèmes éventuels dus à l'anoxie dans les clarificateurs. Avantageusement, ladite étape consistant à recirculer une partie de l'effluent provenant de l'étape de nitrification est effectuée avec un taux de recirculation notablement inférieur à ceux utilisés dans les procédés de l'art antérieur. L'invention permet donc de réduire considérablement le taux de recirculation de l'effluent. Egalement avantageusement, ladite étape consistant à recirculer une partie des boues provenant de la clarification est effectuée avec un taux de recirculation compris entre 50 % et 150%. Préférentiellement, ladite source de carbone exogène est constituée par du méthanol. Ce composé a l'avantage de présenter un coût relativement faible et de pouvoir être très facilement dégradé par les bactéries hétérotrophes constituant la biomasse. Toutefois, d'autres types de sources carbonées pourront être utilisés dans le cadre de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention tels que notamment des déchets d'origine industrielle.D'une manière générale, il sera possible d'utiliser toute source de carbone facilement assimilable par les bactéries constituant la biomasse tel que, notamment, I'hydrolysat des boues d'épuration. L'invention concerne aussi un installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de traitement d'effluent par voie biologique incluant des moyens de traitement dudit effluent par boues activées et au moins un clarificateur final, ladite installation incluant une zone d'anoxie de tête pour la dénitrification dudit effluent, une zone aérobie pour la nitrification et l'élimination de la pollution carbonée dudit effluent provenant da la zone d'anoxie, des moyens de recirculation de la liqueur mixte de la zone de nitrification vers ladite zone de dénitrification et des moyens de recirculation des boues provenant du clarificateur final vers ladite zone de dénitrification, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une zone d'anoxie avale pour la post-dénitrification de l'effluent provenant de ladite zone aérobie et des moyens d'apport d'une source de carbone exogène au niveau de ladite zone d'anoxie avale. Préférentiellement, la zone inclut une zone de réoxygénation de l'effluent provenant de ladite zone d'anoxie avale prévue entre ladite zone d'anoxie avale et ledit clarificateur final. Egalement préférentiellement, le volume aéré de ladite installation est supérieur ou égal à 50% du volume total des moyens de traitement par boues activées. Avantageusement, le volume fonctionnant en anoxie de ladite installation est compris entre 30 et 50 % du volume. Préférentiellement, l'installation comprend des moyens permettant l'écoulement en flux piston dudit effluent. Egalement préférentiellement, ladite zone anoxique est munie de moyens de brassage. Egalement préférentiellement, ladite zone de réoxygénation et ladite zone aérobie sont pourvues de moyens d'aération. Avantageusement, I'installation inclut dans la zone d'anoxie avale des moyens d'activation desdits moyens d'aération et desdits moyens d'apport d'une source de carbone exogène par exemple en fonction du potentiel d'oxydo-réduction de l'effluent présent au niveau desdites zones. L'invention ainsi que les différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre de deux exemples non-limitatifs de réalisation de l'invention en référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 représente un mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 représente un autre mode de réalisation. Une installation de traitement d'effluents aqueux en vue de l'élimination de leur pollution carbonée et de leur pollution azotée est représentée à la figure 1. Cette installation comprend des moyens de traitement biologique 1 par boues activées constitués par une série de bassins à l'intérieur desquels l'effluent s'écoule en flux piston et un clarificateur final 2. L'effluent brut à traiter (EB) arrive dans cette installation après avoir subit un prétraitement, constitué d'une manière classique par une dégrillage, un dessablage et un déshuilage. Les bassins des moyens de traitement biologiques 1 délimitent: - une zone anoxique amont 3 accueillant une biomasse hétérotrophe permettant la réduction des nitrates contenus dans l'effluent en nitrites et en azote gazeux, - une zone aérobie 4 accueillant également une biomasse hétérotrophe et autotrophe autorisant la transformation de l'azote ammoniacal contenu dans l'effluent en nitrates et l'élimination de la pollution carbonée contenu dans cet effluent, - une zone anoxique avale 5 de post-dénitrification dans laquelle travaille le même type de biomasse hétérotrophe et enfin, - une zone de réoxygénation 6 de l'effluent. La zone aérobie 4 et la zone de réoxygénation 6 sont équipés de moyens d'aération constitués par des aérateurs 7,8 ainsi que de moyens de contrôle du potentiel d'oxydo-réduction 9, 10 de l'effluent auxquels le fonctionnement de ces aérateurs est asservi. La zone d'anoxie aval 5 est également munie de moyens de contôle du potentiel d'oxydo-réduction 19 auxquels les moyens d'apport de méthanol 11 sont asservis. Ces différents bassins présentent un volume global de 13000 m3, la répartition par zone étant la suivante: - zone anoxique amont: 12 % du volume total soit 1560 m3, - zone aérobie: 50 % du volume total soit 6500 m3, - zone anoxique avale: 33 % du volume total soit 4290 m3, -zone de réoxygénation: 5 % du volume total soit 650 m3. Conformément à la présente invention, des moyens d'apport 11 d'une source carbonée exogène sont prévus au niveau de la zone anoxique avale 5. Ces moyens d'apport incluent un réservoir 12 présentant une capacité calculée pour permettre la distribution d'une quantité journalière suffisante de source carbonée dans l'effluent. Dans le cadre du présent mode de réalisation, ce réservoir est conçu de façon à permettre la distribution d'environ 2500 kg par jour de méthanol. L'installation comprend par ailleurs une canalisation d'amenée de l'effluent brut à traiter (EB) dans la zone anoxique amont 3 de dénitrification, une canalisation 14 acheminant la liqueur mixte provenant du bassin de réoxygénation 6 vers le clarificateur final 2 et une canalisation 20 d'évacuation de l'effluent traité (ET). Par ailleurs, l'installation comprend une canalisation 15 permettant de réacheminer une partie de la liqueur mixte provenant de la zone aérobie 4 en tête d'installation, ainsi qu'une canalisation 16 permettant de réacheminer une partie des boues provenant du clarificateur final 2 également en tête d'installation. Enfin, une autre canalisation 17 permet d'évacuer la partie des boues provenant du clarificateur non recyclée en tête d'installation vers une unité de traitement de boues non représentée. L'installation représentée a été mise en oeuvre sur un effluent mixte constitué d'eaux usées urbaines et d'eaux usées industrielles présentant les paramètres chimiques suivants DCO (Demande Chimique en Oxygène): 378 mg/l DBO5 (Demande Biologique en Oxygène): 152 mg/l MEST (Matières en suspension totales): 276 mgA NTK (Azote Total): 125 mgA NNH4 (Azote ammoniacal): 108 mg/l P: 4,6 mg/l DCO/N: 3 DCO/DBO5: 2,5 DBO5/NTK: 1,5 DBO: : 33 L'installation a été utilisée dans les conditions suivantes Débit moyen journalier (m3/j) 14850,0 Débit moyen horaire (m3/j) 618,8 Coefficient de pointe de temps sec 1,4 Débit de pointe de temps sec (m3/h) 874,0 Coefficient de pointe de temps de pluie: 1,7 Débit de point de temps de pluie (m3/h): 1054,0 Le méthanol a été distribué dans la zone de dénitrification avale 5 à partir des moyens 1 1 à raison de 2208 kg/jour correspondant à 223mu/1 de DCO de méthanol.Le taux de recirculation Q' R de l'effluent provenant de la zone aérobie 4 a été fixé à 50 % tandis que le taux de recirculation des boues QR a été fixé à 100 % La mise en oeuvre de l'installation de l'installation dans de telles conditions a permis d'obtenir un effluent épuré présentant un résiduel de nitrates de 10mg/1 avec un apport de méthanol correspondant à 223mg DCO/1 d'effluent. A titre comparatif, le même effluent a été traité dans une installation ne présentant pas de zone anoxique de post-dénitrification prévue en aval de la zone aérobie mais seulement une zone anoxique de dénitrification prévue en amont de cette zone. L'apport de méthanol a été effectué au niveau de cette zone amont de dénitrification. L'injection de la même quantité de méthanol dans la zone de dénitrification amont de cette installation selon l'état de la technique a permis d'obtenir un résiduel de nitrates dans l'effluent traité de 21,5 mgA seulement avec un taux de recirculation Q' R provenant de la zone aérobie de 320 %. L'utilisation selon l'invention d'une zone de post-dénitrification et l'injection de la source de carbone exogène dans cette zone de post-dénitrification permet donc d'augmenter le taux d'abattement des nitrates de plus de 100 % par rapport à l'état de la technique le plus proche. Le procédé selon l'invention a également été testé sur un autre type d'effluent consitué exclusivement par des eaus usées urbaines. Cet effluent a été traité dans l'installation représentée à la figure 2. Cette installation diffère de celle représentée à la figure 1 uniquement par le fait que les bassins définissant les différentes zones aérées et non aérée présentent des volumes différents. Ces volumes sont les suivants: - zone anoxique amont: 31 % du volume total soit 4030 m3, - zone aérobie : 60 % du volume total soit 7800 m3, - zone anoxique avale : 6 % du volume total soit 780 m3, -zone de réoxygénation : 4 % du volume total soit 520 m3. L'effluent urbain utilisé présente les paramètres chimiques suivants DCO (Demande Chimique en Oxygène): 596,3 mg/l DBO5 (Demande Biologique en Oxygène): 284,8 mgA MEST (Matières en supension totales) : 163,5 mg/l NTK (Azote Total): 79,7 mg/l NNH4 (Azote ammoniacal): 65,0 mg/l P: 20,6 mg/l DCO/N: 7,5 DCO/DBO5: 2,1 DBO5/NTK: 3,6 DBO5/P: 13,8 L'installation a été utilisée dans les conditions suivantes Débit moyen journalier (m3/j) 45000,0 Débit moyen horaire (m3/j) 1875,8 Coefficient de pointe de temps sec 1,6 Débit de pointe de temps sec (m3/h) 300,0 Coefficient de pointe de temps de pluie: 2,8 Débit de pointe de temps de pluie (m3/h): 5200,0 Le méthanol a été distribué dans la zone de dénitrification avale 5 à partir des moyens 11 à raison d'une quantité de DCO correspondant à 25 mg/l. Le taux de recirculation Q'R de l'effluent provenant de la zone aérobie 4 a été fixé à 300 % tandis que le taux de recirculation des boues QR a été fixé à 100 % La mise en oeuvre de l'installation dans de telles conditions a permis d'obtenir un effluent traité (ET) présentant un résiduel de nitrates de S mg/l. Le traitement du même effluent dans une installation selon l'état de la technique a necessité d'introduire dans la zone de dénitrification amont des quantités de méthanol beaucoup plus importantes correspondant à 55mi/1 de DCO de méthanol (soit plus du double qu'avec l'installation selon l'invention) pour atteindre cette qualité de résiduel, et avec un taux de recirculation Q'R provenant de la zone aérobie de 600%. L'invention permet donc une économie substantielle de la source carbonée, des besoins en recirculation de la zone aérobie, et l'obtention de résiduels de nitrates très bas. Par ailleurs, il n'a été constaté, dans les installations représentées aux figures 1 et 2 aucune dénitrification dans les boues du clarificateur et aucune flottation de ces boues. enfin, les taux d'abattement de la pollution carbonée observés avec ces installations ont été les mêmes que ceux observés dans les installations de l'état de la technique. Les exemples de mise en oeuvre de l'invention ici décrits n'ont pas pour objet de réduire la portée de celle-ci. En particulier, il pourra être envisagé, selon les caractéristiques de l'effluent à traiter et le niveau de qualité à atteindre, de prévoir des proportions relatives des zones différentes de celles-indiquées ainsi que d'autres sources de carbone exogène que le méthanol, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un effluent aqueux incluant une étape de dénitrification biologique en milieu anoxique suivie d'une étape de nitrification biologique en milieu aéré et d'une étape de clarification finale, une partie de la liqueur mixte provenant de ladite étape de nitrification et une partie des boues provenant de la clarification étant recirculées en dénitrification, ledit procédé incluant une étape consistant à ajouter une source de carbone exogène audit effluent pour augmenter son rapport DCO/N, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend, à l'aval de la recirculation provenant de l'étape de nitrification, une étape de post-dénitrification en milieu anoxique de l'effluent provenant de ladite étape de nitrification et en ce que ladite étape d'apport d'une source de carbone exogène est effectuée au cours de ladite étape de post-dénitrification. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de réoxygénation de l'effluent provenant de ladite étape de postdénitrification, ladite étape de réoxygénation étant mise en oeuvre avant la clarification finale. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ladite étape consistant à recirculer une partie des boues provenant de la clarification est effectuée avec un taux de recirculation de 50 à 150 % environ. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite source de carbone exogène est constituée par du méthanol. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite source de carbone exogène est constituée par de l'hydrolysat de boues d'épuration. 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé de traitement d'un effluent selon l'une des revendications 1 à 5 incluant des moyens de traitement (1) dudit effluent par boues activées et au moins un clarificateur final (2), ladite installation incluant une zone d'anoxie de tête (3) pour la dénitrification dudit effluent, une zone aérobie (4) pour la nitrification et l'élimination de la pollution carbonée dudit effluent provenant da la zone d'anoxie (3), des moyens de recirculation (15) de la liqueur mixte de la zone de nitrification vers ladite zone de dénitrification (3) et des moyens de recirculation (16) des boues provenant du clarificateur final (2) vers ladite zone de dénitrification (3), ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend de plus une zone d'anoxie avale (5) pour la post-dénitrification de l'effluent provenant de ladite zone aérobie (4) et des moyens d'apport (11) d'une source de carbone exogène au niveau de ladite zone d'anoxie avale (5). 7. Installation selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'elle inclut une zone de réoxygénation (6) de l'effluent provenant de ladite zone d'anoxie avale (4) prévue entre ladite zone d'anoxie avale (5) et ledit clarificateur final (2). 8. Installation selon l'une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le volume aéré de ladite installation est supérieur ou égal à 50% du volume total des moyens de traitement (1) par boues activées. 9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que le volume fonctionnant en anoxie de ladite installation est compris entre 30 et 50 % du volume total des moyens de traitement (1) par boues activées. 10. Installation selon les revendications 6 à 9 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens permettant l'écoulement en flux piston dudit effluent. 11. Installation selon les revendications 6 à 10 caractérisé en ce que ladite zone d'anoxie avale (5) est pourvue de moyens de brassage (18). 12. Installation selon l'une des revendications 6 à 11 caractérisé en ce que ladite zone de réoxygénation (6) et ladite zone aérobie (4) sont pourvues de moyens d'aération (7,8). 13. Installation selon les revendications 11 et 12 caractérisée en ce qu'elle inclut des moyens d'activation (9,10,19) desdits moyens d'aération (7,8) et desdits moyens d'apport (11) d'une source de carbone exogène en fonction du potentiel d'oxydoréduction de l'effluent présent au niveau desdites zones (4,5,6).