Brevet FR2789987A1 — publié le 20000825

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux procédés d'épuration d'eaux résiduaires par boues activées mettant en oeuvre une étape de traitement par boues activées suivie d'une étape de séparation des matières en suspension. On sait que, dans une filière d'épuration par boues activées, il n'est pas possible d'atteindre un niveau élevé et permanent d'épuration des eaux résiduaires (urbaines et industrielles), notamment en terme de concentration en matières en suspension, en limitant le relèvement de l'eau à traiter (donc le coût énergétique) à quelques centimètres. L'épuration des eaux résiduaires, qu'elles soient d'origine industrielle ou urbaine, par boues activées, est une technique bien connue de l'homme de l'art. Les procédés mis en oeuvre dans cette technique comportent essentiellement une phase de mise en contact de l'eau à épurer avec un floc bactérien en présence d'oxygène (bassin de boues activées), suivie par une phase de séparation du floc (séparateur ou clarificateur). Le clarificateur final est un dispositif simple, qui consomme peu d'énergie (il nécessite un relèvement de l'eau de l'ordre de quelques centimètres) mais dont la fiabilité est limitée étant donné qu'un dysfonctionnement biologique peut induire un développement exagéré du volume des boues présentes dans les ouvrages (bassin de boues activées et clarificateur). On connaît les problèmes posés par le dysfonctionnement des installations d'épuration biologique qui peuvent se traduire par une baisse brutale de la qualité de l'eau épurée, notamment par un foisonnement dû au développement de bactéries filamenteuses, décantant très lentement et épaississant mal ou par un moussage se traduisant par le développement d'une écume plus ou moins épaisse en surface du bassin d'aération. Ces dysfonctionnements peuvent conduire à un débordement des boues du clarificateur, lorsque les dispositifs de reprise des boues décantées sont insuffisants pour reprendre le débit volumique des boues. Une partie des boues activées est alors entraînée avec l'eau décantée provenant du clarificateur, ce qui fait que l'installation de traitement d'eau rejette de la pollution particulaire et biologique dans 2 2789987 le milieu naturel (quelques centaines de mg/I de matières en suspension à forte demande en oxygène, contre 10 à 20 mg/I en fonctionnement normal). On comprend de la lecture des considérations faites ci-dessus que la filière classique d'épuration: " boues activées + clarificateur " présente l'avantage d'un faible coût énergétique du relèvement de l'eau à traiter (quelques centimètres) mais qu'elle présente l'inconvénient de ne pas permettre d'atteindre un niveau élevé et permanent de la qualité de l'eau traitée étant donné que le clarificateur final ne peut pas résoudre, de façon satisfaisante, les problèmes découlant des dysfonctionnements biologiques. i0 Pour limiter les inconvénients spécifiés ci-dessus, on met parfois en oeuvre la technique dite de " filtration tertiaire " qui consiste à utiliser une batterie de filtres à sable disposée en aval du clarificateur. Cette technique connue permet de réaliser une filtration efficace en ce qui concerne la réduction des pointes de concentration des matières en suspension mais cet avantage est obtenu au prix d'une consommation énergétique élevée due à un relèvement de l'eau à traiter de l'ordre du mètre. Par ailleurs, cette technique nécessite des lavages périodiques des filtres, ce qui induit des contraintes qui peuvent être très importantes en période de dysfonctionnement biologique. Une autre solution connue aux problèmes ci-dessus a été apportée par les Bioréacteurs à Membranes connus sous la dénomination " BRM ". Dans les installations mettant en oeuvre cette technique, on utilise des membranes de séparation par micro-filtration ou ultrafiltration (membranes céramiques ou organiques) qui sont situées à l'extérieur du bassin biologique, ou dans ce dernier, afin de réaliser la séparation. Ces installations sont complexes, fortement consommatrices d'énergie (elles nécessitent un relèvement de l'eau de quelques mètres - cas des membranes organiques- à quelques dizaines de mètres - cas des membranes minérales), mais elles présentent l'avantage de produire de l'eau traitée d'excellente qualité avec une grande fiabilité: la concentration en matières en suspension dans l'eau traitée est largement inférieure à 5 mg/I et ceci en permanence. Ainsi, cette filière BRM (boues activées + membrane de séparation par micro-filtration ou ultra-filtration) présente l'avantage d'atteindre un niveau élevé et permanent de la qualité de l'eau traitée mais l'inconvénient d'un coût énergétique élevé. 3 2789987 On connaît (FR-A- 2 764 818) un autre procédé biologique de traitement d'eaux résiduaires mettant en oeuvre un bassin de boues activées et un séparateur comportant des plaques de filtration à support textile, tel que notamment des membranes textiles. Cette technique est généralement connue sous la dénomination de " Bioréacteur à Textiles " ou BRT. Le support de filtration utilisé dans la mise en oeuvre de cette technique est un support textile disponible dans le commerce, présentant des ouvertures de mailles de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns, ce qui assure généralement: - un bon arrêt des flocs bactériens, donc une bonne qualité de l'eau traitée, en termes de matières en suspension; - une faible résistance au passage de l'eau, donc de faibles pertes de charge (le relèvement de l'eau est limité à quelques millimètres). Cependant, pour des raisons encore mal élucidées (probablement variation de la taille des flocs bactériens, création ou disparition d'un gâteau de filtration à la surface du textile), la concentration en matières en suspension de l'eau traitée (ou filtrat) peut varier et dépasser les valeurs exigées par les règlements administratifs (généralement 30 mg/I en Europe). Cet inconvénient peut être limité en adoptant des tailles de mailles des membranes filtrantes plus faibles mais ceci conduit à utiliser des membranes textiles qui ne sont pas fabriquées usuellement, qui sont donc chères, se colmatent rapidement et qui nécessitent des consommations énergétiques plus élevées. De ce fait, on retrouve les inconvénients de la filière BRM, de microfiltration. En conclusion, la filière BRT (boues activées + membranes de séparation par textiles) présente l'avantage d'un coût énergétique du relèvement de l'eau à traiter limité à quelques centimètres, mais elle ne permet pas d'atteindre un niveau élevé et permanent de qualité de l'eau traitée, du fait des concentrations en matières en suspension, fluctuantes et parfois supérieures aux valeurs actuellement exigées par les règlements administratifs, cet inconvénient pouvant devenir encore plus important dans l'éventualité o les normes administratives dans ce domaine pourraient évoluer vers des exigences accrues. L'article " Short term effects of dissolved oxygen concentration on the turbidity of the supernatant of activated sludge " publié par Britt- Marie VWilen et Peter Balmer dans la Revue " Water science and technology " Vol. 38, N 3, pp. 4 2789987 -33, 1998 traite de l'influence de l'oxygène dissous sur la turbidité, après décantation, de l'effluent d'un traitement par boues activées. Cet article se réfère à un effluent décanté, c'est-à-dire en régime non agité, ce qui constitue une option classique pour l'homme de l'art, afin de ménager les frocs et stabiliser les colloides qui y sont adsorbés. Les enseignements que l'homme de l'art peut tirer de cet article est qu'il convient d'assurer un minimum de teneur en oxygène dans l'effluent en cours de décantation. Compte tenu des inconvénients des solutions antérieures rappelées ci- dessus, le problème technique résolu par l'invention réside dans l'obtention de 1o qualités de filtrat (eau traitée) conformes aux valeurs résultant d'exigences accrues des autorités de l'environnement et une limitation du relèvement de l'eau à traiter à quelques centimètres, afin de limiter la consommation énergétique à son niveau le plus bas. La solution, apportée à ce problème par la présente invention réside dans un procédé d'épuration d'eaux résiduaires par boues activées mettant en oeuvre une étape de traitement par boues activées suivie d'une étape de séparation des matières en suspension, caractérisé en ce que les boues activées, avant leur passage dans l'étape de séparation, sont soumises à une aération durant une période de l'ordre de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. Selon l'invention, le temps de séjour des boues activées dans l'étape d'aération est supérieur à dix minutes, de préférence supérieur à 30 minutes et généralement inférieur à 3 heures. La présente invention a également pour objet, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que spécifié ci-dessus, ce dispositif comportant un réacteur de boues activées ainsi qu'un séparateur, de préférence du type séparateur textile et il est caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'aération au travers desquels passent les boues activées lors du transfert dudit réacteur vers ledit séparateur. Selon l'invention, lesdits moyens d'aération peuvent être internes ou externes audit réacteur, ils peuvent être par exemple implantés dans le séparateur. Ainsi, la présente titulaire a mis en évidence un phénomène inattendu: une aération préalable des boues activées, durant une période de l'ordre de quelques minutes à quelques dizaines de minutes induit une diminution importante de la 2789987 concentration en matières en suspension des filtrats obtenus lors de l'étape de séparation, réalisée notamment par filtration sur membranes textiles. Afin de mettre en oeuvre ce phénomène, on a utilisé le dispositif qui est représenté de façon très schématique sur la figure 1 des dessins annexés. Ce dispositif comporte: - un réacteur 1 de boues activées de 40 m3 alimenté en eaux résiduaires urbaines; - un séparateur textile 2 comportant des plaques 3 de filtration de 0,135 m2, réalisé selon les dispositions revendiquées dans la demande de brevet français io no 98 03 197 déposée le 16 mars 1998 par la présente titulaire et intitulée " Perfectionnements apportés aux équipements de séparation solide-liquide, notamment pour l'épuration biologique d'eaux usées ", équipées d'un tissu présentant une dimension de mailles de 20 microns, qui séparent les boues activées en un filtrat (eau traitée) et un concentrat qui est ramené dans le réacteur 1; - un moyen de pompage 4 des boues activées alimentant le séparateur textile 2 à partir du réacteur de boues activées 1, le temps de transit des boues entre ce réacteur et le séparateur textile 2 étant de l'ordre de 5 minutes; - une sonde REDOX 5 pour enregistrer en continu le potentiel d'oxydo- réduction des boues activées contenues dans le réacteur 1 et, - un turbidimètre 6 qui enregistre en continu la turbidité de l'eau traitée. Lors d'une première expérience, le réacteur de boues activées 1 a fonctionné en aération alternée: - pendant une période de 90 minutes, le réacteur 1 a été aéré (période de nitrification); - pendant une seconde période de 90 minutes, le réacteur 1 n'a plus été aéré (période de dénitrification); - le réacteur a été à nouveau aéré durant 90 minutes et ainsi de suite. Sur la figure 2 des dessins annexés, on peut voir l'enregistrement des mesures de turbidité et de potentiel REDOX de l'eau traitée, effectué durant ces périodes d'aération alternée. Sur cette même figure 2, on a indiqué les périodes d'aération et d'anoxie (absence d'aération) du réacteur 1 (créneaux disposés sur la partie gauche de la figure 2). Sur cette figure 2, I'axe des temps est orienté de bas en haut. L'examen de cette figure fait ressortir que la turbidité de l'eau traitée oscille 6 2789987 au cours du temps, avec une périodicité identique à celle de l'aération. On constate également que la turbidité diminue lors des périodes d'aération et qu'elle augmente durant les périodes d'anoxie. Il existe un léger décalage de quelques minutes entre les oscillations de turbidité et les phases d'aération/anoxie, correspondant au temps de transit des boues activées entre le réacteur 1 et le séparateur textile 2. Parallèlement à cet essai, on a effectué des prélèvements de l'eau traitée lors des périodes de turbidité minimale (fin des cycles d'aération) et de turbidité maximale (fin des cycles d'anoxie), afin de mesurer les concentrations en matières en suspension dans l'eau traitée. Ces concentrations étaient respectivement de 60 o0 et 95 mg/l, soit un facteur " crête à creux " de 1,6. On a ensuite effectué un second essai, sur un même dispositif que celui illustré par la figure 1, mais équipé de plaques de filtration 3 comportant un tissu à la maille de 15 microns. La figure 3 des dessins annexés est une représentation analogue à celle de la figure 2, c'est-àdire un enregistrement de la turbidité et du potentiel REDOX effectué durant ce deuxième essai. On voit que la turbidité de l'eau traitée oscille au cours du temps, avec une périodicité identique à celle de l'aération: aux périodes d'aération correspondent les périodes de diminution de turbidité de l'eau traitée. Dans ce cas particulier, les concentrations en matières en suspension de l'eau traités ont varié de 20 à 30 mg/Il, soit un facteur crête à creux de 1,5. L'examen des deux enregistrements illustrés par les figures 2 et 3 permet de constater que les turbidités n'ont pas atteint un palier minimum en fin de périodes d'aération et qu'une prolongation de la durée d'aération aurait conduit à une diminution complémentaire de la turbidité de l'eau traitée. Afin de préciser ce point, on a effectué un troisième essai, sur des boues présentant des caractéristiques légèrement différentes, au cours duquel le réacteur à boues activées 1 a également fonctionné en aération alternée, mais avec un allongement de la durée de certaines périodes d'aération ou d'anoxie. Le séparateur textile 2 était équipé de tissus à mailles de 15 microns. La figure 4 des dessins annexés est un enregistrement des mesures de turbidité et de potentiel REDOX de l'eau traitée effectuées lors d'un essai au cours duquel une période d'aération a été prolongée pendant neuf heures. On constate que la turbidité a diminué au cours de cette période de 20 à 13 mg/Il, soit un facteur crête à creux de 1,5. 7 2789987 La figure 5 des dessins annexés est un enregistrement des mesures de turbidité et de potentiel REDOX de l'eau traitée effectuées lors d'un essai au cours duquel une période d'anoxie a été prolongée pendant 4 heures. On constate que la turbidité a augmenté au cours de cette période de 10 à 19 mg/I, soit un facteur crête àcreux de 1,9. Les pertes de charge (sur le circuit filtrat) observées durant ces essais étaient inférieures à 1 cm de colonne d'eau, c'est-à-dire conformes aux objectifs. On notera que ces divers essais ont été pratiqués à des dates différentes; les caractéristiques des boues activées variant d'un jour à l'autre, il ne faut pas io comparer les matières en suspension de l'eau traitée d'un essai à l'autre mais seulement les rapports crête à creux observés lors d'une même expérience. Les résultats des essais rapportés ci-dessus font ressortir une amélioration, selon un facteur important, de la concentration en matières en suspension des eaux traitées, obtenue par l'alimentation du séparateur 2 avec des boues activées prélevées après une phase d'aération suffisante. Il s'agit là d'un effet inattendu, apporté par la mise en oeuvre de l'invention, c'est-à-dire une augmentation de la qualité de l'eau filtrée obtenue grâce à cette aération préalable des boues activées avant leur séparation. Cet effet inattendu est en outre particulièrement avantageux puisqu'il permet de résoudre le problème posé à savoir l'obtention de qualités de filtrats (eau traitées) conformes aux valeurs exigées par les règlements administratifs, tout en limitant à quelques centimètres, le relèvement de l'eau à traiter, réduisant ainsi la dépense en énergie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent divers exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur ces dessins: - les figures 1 à 5 se réfèrent aux essais décrits ci-dessus et - les figures 6 à 9 sont des représentations schématiques de différents exemples de réalisation de dispositifs mettant en oeuvre la présente invention. On se réfère en premier lieu à la figure 6 qui illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel le bassin de boues activées a été aménagé de manière qu'il comporte une zone aérée dans laquelle le temps de séjour des boues activées est supérieur à 10 minutes, de préférence supérieur à 30 minutes (ou bien un temps tel que le potentiel REDOX soit supérieur à une valeur minimale). Sur cette figure, 8 2789987 on retrouve le bassin de boues activées I ainsi que le séparateur textile 2 de la figure 1. Le séparateur textile 2 est constitué de plaques de filtration équipé d'un tissu à mailles passantes de 0,2 a 100 microns, de préférence de 10 à 30 microns. La référence 7 désigne la zone d'aération continue des boues activées avant leur transfert au séparateur textile 2. Sur cette figure 6, la référence 8 désigne l'entrée de l'eau brute et la référence 9 le retour des boues concentrées en tête du bassin de boues activées 1. Dans la variante illustrée par la figure 7, on retrouve la même disposition que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus en référence à la figure 6, la seule différence étant que le retour 9' des boues concentrées s'effectue vers la zone d'aération 7. Le mode de réalisation illustré par la figure 8 s'applique au cas d'un bassin de boues activées 1 fonctionnant en aération alternée (cas du premier essai décrit ci- dessus). Sur cette figure 8, on a utilisé les mêmes références que sur la figure 6 pour identifier les éléments similaires. Les boues activées peuvent être prélevées lors de la phase finale des périodes d'aération de manière à obtenir des filtrats qui présentent toujours une turbidité correspondant au minimum de la courbe de la figure 2. Selon une variante, le séparateur 2 peut être mis en service à partir d'un seuil minimum d'un potentiel REDOX. Ainsi qu'on l'a vu ci-dessus, I'invention peut être mise en oeuvre en prévoyant une aération intermédiaire entre le bassin de boues activées 1 et le séparateur 2. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 9, cette aération intermédiaire est obtenue par un bassin séparé aéré 13 auquel sont délivrées les boues activées provenant du bassin 1, le temps de séjour de ces boues dans le bassin aéré étant de l'ordre de 10 minutes à 3 heures. On peut prévoir d'autres variantes de l'invention: ainsi, I'aération intermédiaire peut être obtenue par la mise en oeuvre de moyens de dissolution d'oxygène par exemple du type hydro-éjecteur, mélangeur statique ou contacteur gaz liquide. On peut également dimensionner le séparateur de manière à obtenir le temps de séjour minimal pour cette aération intermédiaire. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits et/ou mentionnés ci-dessus mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'épuration d'eaux résiduaires par boues activées mettant en oeuvre une étape de traitement par boues activées suivie d'une étape de séparation des matières en suspension caractérisé en ce que les boues activées, avant leur io passage dans l'étape de séparation, sont soumises à une aération durant une période de l'ordre de quelques minutes à quelques dizaines de minutes. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le temps de séjour des boues activées dans l'étape d'aération est supérieur à dix minutes, de préférence supérieur à 30 minutes. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le temps de séjour des boues activées dans l'étape d'aération est inférieur à trois heures. 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que spécifié dans l'une quelconque des revendications précédentes comportant un réacteur de boues activées (1) et un séparateur (2), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'aération au travers desquels passent les boues activées lors de leur transfert dudit réacteur (1) vers ledit séparateur (2). - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le séparateur 2) est un séparateur textile comportant des plaques de filtration munies d'un tissu à mailles passantes, présentant une dimension de mailles de 0,2 à 100 microns, de préférence de 10 à 30 microns. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que lesdits moyens d'aération sont réalisés sous la forme d'une zone d'aération (7) ménagée dans le réacteur de boues activées (1). 7 - Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que les moyens d'aération sont implantés dans le séparateur. 8 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens d'aération sont obtenus en faisant fonctionner en aération alternée ledit réacteur (1), g 2789987 les boues activées alimentant le séparateur (2) étant prélevées lors de la phase finale desdites périodes d'aération. 9 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens d'aération sont réalisés sous la forme d'un bassin d'aération (13) interposé entre ledit réacteur (1) et ledit séparateur (2). - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits moyens d'aération sont réalisés sous la forme de systèmes de dissolution d'oxygène du type hydro-éjecteur, mélangeur statique, contacteur gaz-liquide.