Brevet FR2781478A1 — publié le 20000128

Procédé de traitement de la pollution azotée dans un biofiltre mettant en oeuvre une aération séquencée. L'invention concerne le domaine du traitement de l'eau et, principalement, le domaine du traitement des eaux usées, industrielles ou domestiques. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de traitement de la pollution azotée contenue dans de tels effluents destiné à être mis en oeuvre dans une filtre biologique (également appelé "biofiltre"). Les filtres biologiques sont utilisés dans le traitement des eaux usées afin d'éliminer, ou à tout le moins d'abattre fortement, entre autres la pollution carbonée et la pollution azotée contenues dans celles-ci. Ils mettent en oeuvre un support de la biomasse constitué de particules pouvant être plus denses ou moins denses que l'eau qui permet également de filtrer physiquement l'effluent. L'élimination de la pollution azotée est classiquement réalisée par deux biomasses distinctes: - la première, dite autotrotrophe, transforme la pollution ammoniacale en nitrates. Cette opération, appelée nitrification, nécessite la présence d'oxygène dans l'eau à traiter. Cette opération a donc lieu dans une zone aérobie du filtre biologique; - la seconde, dite hétérotrophe, transforme les nitrates en azote gazeux. Cette opération, appelée dénitrification, nécessite une présence de pollution carbonée utilisée comme substrat par la biomasse hétérotrophe, et l'absence d'oxygène moléculaire. En effet, l'oxygène apporté par les nitrates dans la zone anoxie du réacteur est utilisé par les bactéries pour éliminer la pollution carbonée. Dans le traitement des eaux usées, la nitrification et la dénitrification peuvent se réaliser suivant deux modes principaux. Le premier consiste en une pré-dénitrification utilisant la pollution carbonée présente dans l'effluent à traiter, suivie d'une post- nitrification. La deuxième consiste en une pré-nitrification suivie d'une post-dénitrification nécessitant alors une source de carbone externe. Il existe deux grandes familles de filtres biologiques, les biofiltres ascendants dans lesquels l'eau à traiter transite selon un courant ascendant, et les biofiltres descendants dans lesquels l'eau à traiter transite selon un courant descendant. Ces deux types de biofiltres peuvent se combiner de différentes manières. Dans le cas de l'utilisation d'un biofiltre ascendant, la nitrification et la dénitrification peuvent être effectuées dans un seul biofiltre, en prévoyant des moyens d'injection d'air dans une zone intermédiaire du filtre permettant de ménager dans celui-ci une zone anoxique inférieure et une zone aérobie supérieure. Une recirculation d'une partie de l'eau traitée est renvoyée dans la zone anoxique afin d'alimenter en substrat les bactéries hétérotrophes qui s'y trouvent. Par contre lorsque l'on choisit la technologie des biofiltres à courant descendant, la dénitrification et la nitrification nécessitent obligatoirement deux filtres montés en série, l'un fonctionnant en aérobiose et l'autre fonctionnant en anoxie. Dans tous les cas, la zone aérobie se distingue de la zone anoxie par un dispositif d'apport d'oxygène à sa base par injection d'air. Ce système peut donc se trouver au sein du matériau filtrant ou à la base de ce dernier en fonction du sens de filtration. D'une manière générale, dans les filtres biologiques, l'aération qui permet d'apporter l'oxygène pour la nitrification est assurée de manière continue. Un inconvénient de tels procédés de l'état de la technique est d'impliquer fréquemment l'utilisation de deux biofiltres (un filtre aéré nitrifiant et un filtre non aéré dénitrifiant) pour le traitement de la pollution azotée et donc d'entraîner des coûts de construction et d'exploitation élevés. Un autre inconvénient de ces procédés est de nécessiter une aération continue d'un des filtres ou, dans le cas de l'utilisation d'un seul filtre, d'une zone du filtre. Une telle aération continue entraîne également des coûts élevés d'exploitation. L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé permettant de traiter la pollution azotée d'un effluent aqueux n'impliquant pas de tels inconvénients. En particulier, un objectif de l'invention est de proposer un tel procédé permettant un gain économique lors de la construction des installations pour sa mise en oeuvre, par rapport aux installations de l'état de la technique. Un autre objectif de la présente invention est de décrire un tel procédé qui permette d'économiser de l'énergie lors de sa mise en oeuvre. Ces objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement biologique de la pollution azotée contenue dans un effluent aqueux caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à faire transiter ledit effluent dans un biofiltre présentant un lit filtrant constitué de particules servant de support à une biomasse, à la base duquel sont prévus des moyens d'aération, ledit lit filtrant permettant à la fois d'assurer la dégradation biologique de le pollution azotée contenue dans ledit effluent et la filtration physique de l'effluent sans clarification ultérieure, à mettre en oeuvre lesdits moyens d'aération de façon séquencée de façon à ménager des périodes alternées d'aération dudit lit filtrant propices à la nitrification de l'effluent et de non-aération propices à la dénitrification de celui-ci, et à alimenter ledit biofiltre en effluent de façon séquencée. L'originalité de l'invention est donc d'effectuer la nitrification et la dénitrification dans un filtre biologique sans spécification de zone, en réalisant l'apport d'oxygène de manière discontinue et périodique, tout en alimentant également de façon discontinue et périodique le biofiltre en effluent à traiter. De telles caractéristiques permettent d'optimiser l'abattement de la pollution azotée, tout en économisant l'énergie nécessaire à l'aération. Lors de la mise en oeuvre d'un tel procédé, l'oxygène apporté est transféré dans l'effluent et utilisé par les bactéries autotrophes pour assurer la nitrification. Lorsque l'apport d'oxygène est arrêté, la concentration en oxygène dissous dans le filtre est suffisamment faible pour assurer la dénitrification des nitrates précédemment formés. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le débit (Qna) d'alimentation dudit effluent durant les périodes de non-aération est proportionnel aux durées des périodes de non-aération (Tna) et des périodes d'aération (Ta) selon la formule Qna = Qinst x (Ta+Tna)/Tna dans laquelle Qinst est le débit d'eau entrant dans l'installation. Lorsque l'alimentation en effluent à traiter est séquencée, le débit d'effluent lors des phases d'alimentation est ajusté pour que le volume journalier d'effluent traité sur le biofiltre corresponde au débit entrant sur la station. L'utilisation d'une bâche de stockage en amont du biofiltre est alors envisageable. Selon une variante préférentielle de l'invention, le procédé est mis en oeuvre selon un cycle périodique de trois phases, à savoir une phase d'alimentation dudit biofiltre en effluent sans aération dudit lit filtrant, une phase sans alimentation dudit biofiltre en effluent et sans aération dudit lit filtrant, et une phase sans alimentation dudit biofiltre en effluent avec aération dudit lit filtrant. Egalement préférentiellement, le procédé comprend une étape complémentaire consistant à recirculer une partie de l'effluent traité, avantageusement uniquement durant les périodes de non-aération. Ainsi, durant les périodes o le biofiltre ne sera pas alimenté en effluent, l'apport en carbone dans le biofiltre sera limité, ce qui permettra d'optimiser l'étape de nitrification.On notera que, pour des raisons pratiques, il est préférable de maintenir la recirculation pendant la mise en oeuvre du procédé, mais que cette dernière pourra éventuellement (pour des raisons d'énergie) être diminuée, voire coupée pendant les phases d'aération. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé selon l'invention comprend également une étape complémentaire consistant à ajouter audit effluent à traiter au moins une source de carbone, préférentiellement uniquement pendant lesdites périodes de non- aération. Cette source de carbone permettra d'optimiser l'étape de dénitrification. Les durées des phases d'aération seront déterminées pour assurer un niveau de rejet donné de l'effluent traité. Pour une nitrification stricte, il est recommandé de limiter les temps de non- aération. Ces derniers dépendent des temps de séjour dans le filtre et de la concentration de pollution azotée dans l'effluent à traiter. Ainsi, selon une variante préférentielle de l'invention, lesdites périodes d'aération et lesdites périodes de non-aération ont préférentiellement une durée comprise entre 2 mn et 20 mn. D'un point de vue industriel, le contôle des temps d'aération et de non- aération du biofiltre pourra être mis en oeuvre de différentes manières. Si la production d'air est centralisée (une unité de production pour l'ensemble des filtres) il suffira d'utiliser un superviseur qui gère le temps d'ouverture et de fermeture des vannes d'alimentation d'eau et d'air. On notera que le procédé selon l'invention trouve tout particulièrement son utilité lorsque le temps de séjour de l'effluent dans ledit biofiltre est inférieur à 1 h. On notera également que la procédé selon l'invention pourra inclure une étape supplémentaire de post-dénitrification permettant d'améliorer la teneur en nitrates de l'effluent final. Le procédé selon l'invention pourra être mis en oeuvre par temps sec sur une batterie de biofiltres à aération séquencée alimentés en parallèle chacun à une vitesse v pour effectuer la nitrification et la dénitrification de l'effluent et pouvant être alimentés par temps de pluie (c'est-à-dire durant les augmentations importantes du débit entrant) à des vitesses supérieures, préférentiellement de 1,5 v à 4 v, de façon préférée entre toutes de 2,5 v, pour assurer l'abattement de la pollution carbonée et la nitrification de l'effluent, la batterie de filtres à aération séquencée pouvant être suivie d'un biofiltre de post-dénitrification pour terminer la dénitrification de l'effluent. Cette disposition permet une économie de réactif carboné, tel que le méthanol, en temps sec, tout en permettant une augmentation de la vitesse de filtration en eau à traiter par temps de pluie par arrêt de la recirculation d'eau traitée. La présente invention couvre donc tout procédé caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre: - par temps sec, en alimentant en parallèle un premier étage de biofiltres à aération séquencée avec ledit effluent à une vitesse de biofiltration v, une partie de l'effluent provenant dudit premier étage étant recyclé en tête desdits biofiltres et le reste de l'effluent provenant dudit premier étage étant envoyé vers un second étage de post- déntirification comportant au moins un biofiltre; - par temps de pluie (lors d'aumgentation importantes du débit entrant), en alimentant ledit premier étage de biofiltres fonctionnant en nitrification sans recirculation, à vitesse de biofiltration supérieure à v, et en envoyant la totalité de l'effluent provenant dudit premier étage vers ledit second étage de post- dénitrification, la dénitrification dudit effluent étant entièrement assurée par ledit second étage de post-déntirification. Le procédé proposé par la présente invention montre donc les avantages suivants: gain économique lors de la construction des installations le mettant en oeuvre puisqu'il n'y a pas à installer de système d'apport d'oxygène au sein du matériau, et qu'une seule cellule permet de réaliser la nitrification et la dénitrification, gain économique lors de l'exploitation, meilleure utilisation de l'oxygène apporté liée à une augmentation du transfert d'oxygène dans l'eau (plus grande hauteur d'aération). L'invention sera plus facilement comprise grâce à la description qui va suivre d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci en référence aux dessins dans lesquels: - la figure 1 représente une installation pour la mise en oeuvre du procédé; - la figure 2 représente l'évolution de la concentration en nitrates d'un effluent après traitement par le procédé selon l'invention et d'un effluent après traitement selon un procédé classique; - la figure 3 représente la mise en oeuvre du procédé sur une batterie de filtres alimentés en parallèle (configuration de temps sec) avec post-dénitrification en série pour affinage final; - la figure 4 représente la mise en oeuvre du procédé sur la même batterie de filtre alimentés en parallèle (configuration de temps de pluie) et sans recyclage d'eau traitée, toute la dénitrification étant réalisée dans l'étape finale de post- déntirification afin de permettre une augmentation des vitesses de filtration dans le premier étage de filtration. Le procédé a été mis en oeuvre sur une installation montrée à la figure 1 constituée par un biofiltre 1 à courant ascendant, incluant un lit filtrant 2 constitué d'un matériau granulaire moins dense que l'eau (billes de polystyrène), une rampe d'aération 3 du lit filtrant 2 prévue dans la partie inférieure du biofiltre, des moyens d'alimentation 4 en eau à traiter prévus dans la partie inférieure du filtre, des moyens d'évacuation 5 de l'eau traitée prévus dans la partie supérieure du biofiltre, des moyens de recirculation 6 d'une partie de l'eau traitée, et des moyens de séquençage 7 de l'apport en oxygène par la rampe d'aération 3. Une installation selon l'état de la technique ne différant de celle montrée à la figure 1 que par la position de la rampe d'aération positionnée à l'intérieur du lit filtrant (de façon à ménager dans celuici une zone supérieure aérobie et une zone inférieure anoxique) et par l'absence de moyens de séquençage de l'aération, a par ailleurs été utilisée à titre de témoin. Les lits filtrants des deux installations présentent une hauteur de matériau filtrant de 3 mètres. La vitesse d'alimentation a été de 1.5 m/h et la recirculation de à 300 % du débit d'alimentation. La même eau a été traitée dans les deux installations, présentant une concentration moyenne en azote ammonicale 50 mg N-NH4/1 Le tableau 1 présente les résultats obtenus grâce au procédé selon l'invention, dans lequel différents temps d'aération et de non aération ont été utilisés. Alimentatio Durée des Durée des Résiduel en Résiduel en Taux de neneau péri odes périodes de a z o t e azote global recirculation d'aé rat ion non aération ammoniacal (mg/) (%) (mn) (mn) (mg/l) continue 3 2 1,5 12 300 continue 2 2 1 14 300 continue 2 3 1 25 200 continue 2 4 3 15 200 continue 4 4 3 20 400 continue 4 4 2 26 300 discontinue 4 4 2 22 400 discontinue 4 4 2 22 300 Ce tableau met en évidence un fort abattement de l'azote amoniacal (preuve d'une très bonne nitrification) et un résiduel faible en azote global (preuve d'une bonne dénitrification). Les résultats obtenus en mettant en oeuvre le procédé classique dans l'installation témoin sont indiqués dans le tableau 2. Résiduel en Résiduel en azote global tauxde recirculation (%) azote ammoniacal (mg/l) (mg/1) Tableau 2 Par rapport au procédé classique, le procédé selon l'invention permet d'obtenir une qualité d'effluent traité pratiquement aussi bonne mais avec un gain économique sur la production d'air variant de 40 à 66 %. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre grâce à un dispositif in incluant des moyens d'injection d'air plus simples que ceux des dispositifs classiques, c'est-à-dire disposé sous le matériau granulaire au lieur d'être au sein de celui-cl. L'évolution de la concentration en nitrates dans l'eau traitée sur une journée avec le procédé selon l'invention et avec le procédé classique est montrée à la figure 2, pour une aération de deux minutes toutes les six minutes et un comparatif avec un biofiltre qui fonctionne de façon classique. En référence à la figure 3, on notera qu'il est possible d'utiliser en série: - un ou plusieurs biofiltre 1 à aération simple séquencée, permettant de réaliser une partie de la dénitrification à partir du carbone organique amené par l'effluent entrant ("influent"), - un ou plusieurs biofiltres de post-dénitrification 10, permettant de compléter la dénitrification avec une source complémentaire de carbone organique 11 (comme du méthanol par exemple) Cette configuration permet d'utiliser de façon optimale le carbone de l'influent par temps sec. Comme indiqué à la figure 4, par temps de pluie, les biofiltres 1 peuvent être placés en parallèle pour éliminer la pollution carbonée et nitrifier l'effluent tout en conservant le(s) dernier(s) filtre(s) 10 en série pour réaliser la dénitrification. Une telle configuration en parallèle permet de ne pas surdimensionner l'installation tout en doublant ou triplant le débit traité en temps de pluie, et en économisant l'apport de réactif carboné, tel que le méthanol, en temps sec. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement biologique de la pollution azotée contenue dans un effluent aqueux caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à faire transiter ledit effluent dans au moins un biofiltre (1) présentant un lit filtrant (2) constitué de particules servant de support à une biomasse, à la base duquel sont prévus des moyens d'aération (3), ledit lit filtrant (2) permettant à la fois d'assurer la dégradation biologique de la pollution azotée contenue dans ledit effluent et la filtration physique de l'effluent sans clarification ultérieure, à mettre en oeuvre lesdits moyens d'aération (3) de façon séquencée de façon à ménager des périodes alternées d'aération dudit lit filtrant (2) propices à la nitrification de l'effluent et de non-aération propices à la dénitrification de celui- ci, et à alimenter ledit biofiltre (1) en effluent de façon séquencée. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le débit d'alimentation dudit effluent durant les périodes de non-aération est proportionnel aux durées des périodes de non-aération et des périodes d'aération. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre selon un cycle périodique de trois phases, à savoir une phase d'alimentation dudit biofiltre en effluent sans aération dudit lit filtrant, une phase sans alimentation dudit biofiltre en effluent et sans aération dudit lit filtrant, et une phase sans alimentation dudit biofiltre en effluent avec aération dudit lit filtrant. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte une recirculation d'une partie de l'effluent traité. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit effluent est recirculé uniquement pendant lesdites périodes de non-aération. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend une étape complémentaire consistant à ajouter audit effluent à traiter au moins une source de carbone. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en que la source de carbone est ajoutée uniquement pendant lesdites périodes de non-aération. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que lesdites périodes d'aération ont une durée comprise entre 2 mn et 20 mn. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que lesdites périodes de non-aération ont une durée comprise entre 2 mn et 20 mn. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le temps de séjour de l'effluent dans ledit biofiltre est inférieur à 1 h. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il inclut une étape supplémentaire de post-dénitrification. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre: - par temps sec, en alimentant en parallèle un premier étage de biofiltres à aération séquencée avec ledit effluent à une vitesse de biofiltration v, une partie de l'effluent provenant dudit premier étage étant recyclé en tête desdits biofiltres et le reste de l'effluent provenant dudit premier étage étant envoyé vers un second étage de post- déntirification comportant au moins un biofiltre; - par temps de pluie (lors d'aumgentation importantes du débit entrant), en alimentant ledit premier étage de biofiltres fonctionnant en nitrification sans recirculation, à vitesse de biofiltration supérieure à v, et en envoyant la totalité de l'effluent provenant dudit premier étage vers ledit second étage de post- dénitrification, la dénitrification dudit effluent étant entièrement assurée par ledit second étage de post-déntirification.