Brevet FR2814453A1 — publié le 20020329

L'invenùon concerne un procédé de traitement biologique d'eaux usées comprenant des résidus azotés et carbonés et visant à éliminer ces composés azotés. Ce type de procédé consiste à mélanger dans un réacteur les effluents aqueux à traiter avec une biomasse type boue activée ou culture fixée, contenant des bactéries nitnfiantes. Ce mélange est soumis à des cycles successifs enchaînant des étapes aérobies et des étapes anoxiques, correspondant respectivement à des étapes de nitnfication et de dénitrification Ainsi, au cours de l'étape aéroble, une réaction. de nitrification des composés azotés en nitntes, puis nitrates, par les bactéries et au moyen de l'oxygène dissous a lieu. La vitesse de nitrification est influencée par la valeur du pH et les variations de ce pH. Selon les eaux traitées, les meilleurs taux de nitrification sont obtenus pour un pH compris entre 6,5 et 9 Au cours de l'étape anoxique, les nitrates issus de l'étape aérobie précédente sont réduits en azote moléculaire gazeux. Ces deux étapes peuvent être mises en oeuvre soit dans deux bassins successifs, soit dans un unique bassin. Dans ce dernier cas, on réalise un séquençage de l'aération. la mise en marche de l'aération correspond à une étape aérobie et l'arrêt de l'aération correspond à une étape d'anoxie L'aérabon se fait généralement par la mise en contact de l'effluent à traiter avec de l'air, généralement de manière artificielle, par exemple par agitation de la surface de l'effluent et de la biomasse ou par injection d'air au fond du réacteur. Elle peut également se faire par introduction d'un gaz suroxygéné dans l'effluent. Cette dernière méthode permet d'améliorer le rendement d'élimination des composés azotés et d'augmenter la capacité de traitement des stations par rapport à la simple mise en contact avec de l'air. Toutefois, il a été observé que introduction d'un gaz suroxygéné au cours des étapes aérobies pouvait également conduire à un fort abaissement du pH. Cette baisse du pH est un inconvénient, car il y a un risque de diminution de la cinétique de nitrification, voire d'tnhibition totale ou partielle de la réaction de nitrification. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de traitement biologique des effluents aqueux avec élimination des composés azotés mettant en oeuvre des étapes aérobies avec introduction d'un gaz suroxygéné ne présentant pas les inconvénients précédents et pour lequel notamment le pH est contrôlé Dans ce but, l'invention concerne un procédé de traitement biologique d'un effluent aqueux comprenant des étapes de nitrification et de dénitrification, où l'effluent aqueux est alternativement soumis dans un réacteur : * à une étape anoxique, et * à une étape aérobie au cours de laquelle l'effluent est mis en contact avec au moins un gaz oxygéné, l'enchaînement de ces deux étapes formant une séquence aérobie/anoxique. Le procédé met donc en oeuvre une succession de séquences enchaînant alternativement une étape anoxique, puis une étape aérobie, un gaz oxygéné étant injecté au cours de cette dernière étape. Par gaz oxygéné, on entend tout type de gaz comprenant des molécules d'oxygène Selon une première caractéristique essentielle de l'invention, au cours des étapes aérobies, la mise en contact des effluents avec le gaz oxygéné est interrompue, dès la mise en évidence, par analyse dynamique, du point caractéristique de la fin de la nitrification. Cette analyse dynamique peut être réalisée de différentes manières selon le mode d'introduction du gaz oxygéné. Ainsi, selon un premier cas, le gaz oxygéné peut être injecté à débit fixe. Pour un débit fixe, l'analyse dynamique peut être menée sur au moins un signal choisi parmi le potentiel d'oxydo-réduction des effluents en cours de traitement et la concentration en oxygène dissous mesurée au sein du réacteur. L'analyse consiste à calculer en continu les valeurs des dérivées première et seconde de la courbe potentiel d'oxydo-réduction = f (temps) et/ou de la courbe concentration en oxygène dissous = f (temps). L'injection de gaz oxygéné est arrêtée dès que ces valeurs sont positives et que la valeur de la dérivée seconde est supérieure à un seuil prédéterminé Ce seuil doit être ajusté pour chaque effluent traité et chaque installation utilisée : un paramétrage des conditions opératoires permet de le déterminer. Ce paramétrage est à la portée de l'homme du métier. L'analyse dynamique à débit fixe peut être mise en oeuvre selon l'enseignement de la demande de brevet FR-A-2756273. Selon un second cas, le gaz oxygéné peut être injecté à débit variable régulé. Dans ce cas, le débit du gaz oxygéné est régulé de façon à ce qu'au moins une grandeur caractéristique de l'activité biologique atteigne une valeur de consigne donnée. Cette grandeur caractéristique de l'activité biologique mesurée au sein du réacteur peut être : le potentiel d'oxydo-réduction, a concentration en oxygène dissous, le pH la concentration en éléments polluants type NH4 ou N0, la fluorescence ou tout autre paramètre corrélable à l'activité biologique Selon la valeur de ces grandeurs, le débit de gaz oxygéné est augmenté ou diminué. Par exemple, le débit de gaz oxygéné peut être régulé de manière à ce que la concentration en oxygène dissous tende constamment vers une valeur de consigne. Ainsi, si on mesure une baisse de la concentration en oxygène dissous, le débit du gaz oxygéné est augmenté et vice-versa L'analyse dynamique peut alors être menée sur tout signal lié à l'lnjectino de gaz oxygéné tel que le signal lié à l'ouverture de a vanne d'ajout du gaz oxygéné ou la valeur du débit de gaz oxygéné ajouté. Selon le même principe, au cours du procédé selon l'invention, les étapes aérobies sont de préférence démarrées dès la mise en évidence, par analyse dynamique, du point caractéristique de la fin de la dénitrification biologique. Généralement, l'analyse dynamique est menée sur le potentiel d'oxydo-réduction de l'effluent en cours de traitement : les valeurs des dérivées première et seconde de a courbe potentiel d'oxydo-réduction = f (temps) sont mesurées en continu et injection du gaz oxygéné est démarrée dès que ces valeurs sont négatives et que la valeur de la dérivée seconde est inférieure au seuil prédéterminé défini précédemment. En outre. selon une deuxième caractéristique essentielle de l'invention, au cours d'au moins une des étapes aérobies du procédé, l'effluent aqueux est mis en contact avec un gaz suroxygéné. Par gaz suroxygéné, on entend un gaz présentant une concentration en oxygène d'au moins 21 % en volume, de préférence d'au moins 30 % en volume Il peut s'agit d'oxygène technique (au moins 90 % en volume d'oxygène) ou d'air enrichi en oxygène. Le gaz suroxygéné peut également provenir d'une étape ultérieure de récupération des évents gazeux d'une post-ozonisation des effluents traités. De manière tout à fait préférentielle, le procédé comprend au moins la succession de deux séquences aérobie/anoxique pour lesquelles le gaz oxygéné mis en contact avec l'effluent aqueux dans les deux étapes aérobies présente des teneurs en oxygène différentes dans ces deux étapes aérobies. Cette mise en oeuvre préférée de l'invention peut être réalisée selon au moins trois modes différents Selon un premier mode, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de manière à ce qu'au cours de toutes les étapes aérobies du procédé au moins de l'air est mis au contact de l'effluent, de préférence de manière artificielle, c'est-à-dire par agitation ou buttape. Dans ce premier mode, l'air est le gaz oxygéné de base mis au contact de l'effluent à chaque étape aérobie. En outre, comme indiqué précédemment, au cours d'au moins une étape aérobie du procédé, le gaz oxygéné mis au contact de l'effluent présente une teneur en oxygène différente de la teneur en oxygène du gaz oxygéné mis au contact de l'effluent à l'étape aérobie précédente ou suivante. Ainsi, au cours d'au moins une des étapes aérobies du procédé. un gaz suroxygéné est mis en contact avec l'effluent Ce gaz suroxygéné est mis au contact avec l'effluent en plus de l'air utilisé comme gaz oxygéné de base à chaque étape aéroble. De préférence, ce premier mode est mis en oeuvre de manière à ce que l'enchaînement de ces deux séquences aérobie/anoxlque (où une étape aérobie met en oeuvre de l'air et la deuxième étape aérobie met en oeuvre de l'air et un gaz suroxygéné) se répète tout au long du procédé. Selon un deuxième mode, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de manière à ce qu'au cours de toutes les étapes aérobies du procédé au moins un gaz suroxygéné est injecté. Dans ce deuxième mode, le gaz suroxygéné est le gaz oxygéné de base mis au contact de l'effluent à chaque étape aérobie. En outre, selon le principe précédent, au cours d'au moins une étape aéroble du procédé le gaz oxygéné mis au contact de l'effluent présente une teneur en oxygène différente de la teneur en oxygène du gaz oxygéné mis au contact de l'effluent à l'étape aérobie précédente ou suivante. Ainsi, au cours d'au moins une des étapes aérobies du procédé, de l'air peut être mis au contact de l'effluent. Cet air est donc mis au contact de l'effluent en plus du gaz suroxygéné utilisé comme gaz oxygéné de base à chaque étape aérobie. De préférence, ce deuxième mode est mis en oeuvre de manière à ce que l'enchaînement de ces deux séquences aérobie/anoxique (où une étape aérobie met en oeuvre un gaz suroxygéné et la deuxième étape aérobie met en oeuvre de l'air et un gaz suroxygéné) se répète tout au long du procédé. Selon un troisième mode, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre de manière à ce qu'au cours des étapes aérobies du procédé, uent soit mis en contact soit uniquement avec un gaz suroxygéné, soit uniquement avec de l'air. De préférence, selon ce troisième mode, le procédé comprend majoritairement des étapes aérobies mettant en oeuvre uniquement un gaz suroxygéné. Par majoritairement, on entend au moins 50 % des étapes aérobies. Selon une variante particulière, au moins deux étapes aérobies sur trois ne mettent en oeuvre qu'un gaz suroxygéné. Dans le cas de l'air, la mise en contact est généralement réalisée de manière artificielle Les deuxième et troisième modes sont particulièrement recommandés lorsque le procédé s'applique à une unité de traitement d'effluents présentant soit une surcharge polluante par rapport à sa capacité initiale de dimensionnement, soit une sous-capacité d'oxygénation. Tout moyen artificiel de mise en contact de l'effluent à traiter et des gaz oxygénés peut être utilisé dans le cadre de l'invention. Il peut s'agir de turbines, de brosses ou d'agitateurs de surface projetant l'effluent à traiter dans le ciel gazeux oxygéné. L'oxygénation peut également être obtenue par injection du gaz oxygéné sous forme de bulles : on peut ainsi utiliser des diffuseurs poreux, des électeurs placés en fond de bassin, des turbines immergées et alimentées à la fois en effluent à traiter et en gaz oxygéné. Selon l'invention, le pH de l'effluent à traiter peut être maintenu à une valeur optimale, ce qui permet d'optimiser les cinétiques des réactions biologiques Le procédé selon l'invention assure en outre une bonne adaptation à a charge polluante : les normes de rejet peuvent être respectées, même en cas d'à-coups de charge. Le procédé selon l'invention permet également une optimisation de la consommation énergétique par suppression des temps d'aérobie inutiles et une complémentarité totale des systèmes de mise en contact d'air et de gaz suroxygéné avec l'effluent. Si l'effluent à traiter nécessite une étape d'élimination de composés phosphors par voie biologique. cette étape peut être mise en oeuvre soit dans un bassin séparé du bassin dans lequel ont lieu des étapes de nitrification/dénitrification, soit dans le même bassin. Dans ce dernier cas, une étape anaérobie est ajoutée à l'enchaînement des étapes aérobie/anoxique, de préférence après l'étape anoxique Le procédé selon l'invention est particulièrement adapté au traitement des effluents aqueux contenant des composés azotés sous forme d'azote organique et/ou d'ammonium, tels que les effluents urbains, les effluents issus des industries agro-alimentaires et certains effluents chimiques, notamment ceux dont le ratio DCO/NTK (Demande Chimique en Oxygène/Azote Total Kjeldhal) présente une valeur comprise entre 10 et 15. EXEMPLES L'invention est mise en oeuvre dans le bassin d'aération d'une station de traitement biologique d'eaux résiduaires industrielles delype agro-alimentaires d'une capacité de 3500 équivalents habitants, sur une boue activée faible charge Le ratio DCO/NTK des eaux à traiter est de 14, ce qui est favorable à une bonne détection du point significatif de la fin de l'étape aérobie de nitrification par analyse dynamique des signaux du potentiel d'oxydo-réduction et de la concentration en oxygène dissous. Le bassin d'aération comporte : * un système de poreux placé en fond de bassin et alimenté en air par des surpresseurs éjectant de fines balles d'air dans l'effluent, . une turbine d'oxygénation pourvue d'un moteur, d'un arbre d'entraînement et de pâles de brassage, disposée en surface de manière à ce que les pa. es soient au-dessous de la surface de l'effluent, reliée à un stockage d'oxygène liquide et délivrant de l'oxygène gazeux présentant une concentration en oxygène supérieure à 99 % en volume, dit oxygène pur, * une sonde de mesure de l'oxygène dissous, # une sonde de mesure du potentiel d'oxydo-réduction, # une sonde de mesure du pH, # des moyens d'acquisition, de traitement en continu des données et de commande, comportant notamment un automate. Le bassin, dans lequel se trouve la boue activée, est alimenté en continu par les eaux à traiter. Le mélange est soumis dans ce bassin à une succession d'étapes aérobies et anoxiques Les étapes aérobies sont obtenues par mise en marche des surpresseurs et/ou de la turbine d'oxygénation. Les étapes anoxiques sont obtenues par arrêt des surpresseurs et de la turbine. Le bassin est alimenté en continu. Les débits d'introduction d'air ou d'oxygène pur sont fixes pour chaque mise en oeuvre. Exemple 1-Exemple comparatif Dans cet exemple, au cours des étapes aérobies, le gaz oxygéné est introduit uniquement par la turbine introduisant de l'oxygène pur Par conséquent, le procédé consiste à mettre en oeuvre alternativement : * une étape aéroble avec introduction de l'oxygène pur, puis * une étape anoxique. Le bascule ment de l'étape anoxlque à l'étape aérobie et vice-versa se fait automatiquement par réglage d'une minutene imposant un temps d'introduction d'oxygène, puis un temps d'arrêt de l'introduction d'oxygène. Toutes les étapes anoxiques ont la même durée D1. Toutes les étapes aérobies ont a même durée D2. Une mesure continue du pH montre que sa valeur diminue à chaque étape aérobie, jusqu'à une valeur d'équilibre de 6, 2. La cinétique de nitrification s'en trouve affectée, tout comme les performances d'élimination de l'azote : le taux d'azote dans les eaux traitées est supérieur aux normes en vigueur pour le site. Exemple 2-Premier mode selon l'invention Dans cet exemple, au cours de toutes les étapes aérobies, de l'air est introduit systématiquement Via le système de poreux par mise en marche des surpresseurs au cours de toutes les étapes aérobies. En outre, de l'oxygène pur est injecté par la turbine d'oxygénation au cours d'une étape aérobie sur trois. Le moment du basculement d'une étape aérobie à une étape anoxique, et vice-versa, est déterminé par analyse dynamique de la courbe potentiel d'oxydo-réduction = f (temps). Dans ces conditions, une mesure continue du pH montre que sa valeur varie entre 6,8 et 7. Les performances d'élimination de l'azote sont bonnes : le taux d'azote dans les eaux traitées est inférieur aux normes en vigueur pour le site. Exemple 3-Troisième mode selon l'invention Dans cet exemple, on injecte dans les eaux à traiter : * une étape aérobie sur trois : uniquement de l'air via des diffuseurs poreux, * deux étapes aérobies sur trois : uniquement de l'oxygène pur via la turbine d'oxygénation. Le moment du basculement d'une étape aérobie à une étape anoxlque et viceversa est obtenu par analyse dynamique de la courbe potentiel d'oxydo-réduction = f (temps). Grâce à ce mode de fonctionnement, on observe que e pH oscille entre 6,85 et 7, ce qui est satisfaisant pour l'activité nitrifiante. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement biologique d'effluents aqueux comprenant des étapes de nitrification et de dénitrification, où les effluents aqueux sont alternativement soumis dans un réacteur : * à une étape anoxique, et 'à une étape aérobie au cours de laquelle l'effluent aqueux est mis en contact avec au moins un gaz oxygéné, l'enchaînement de ces deux étapes formant une séquence aérobie/anoxique, caractérisé en ce que : * au cours des étapes aérobies, la mise en contact de l'effluent avec le gaz oxygéné est interrompue, dès la mise en évidence, par analyse dynamique. du point caractéristique de la fin de la nitrification, et 'au cours d'au moins une des étapes aérobies du procédé, le gaz oxygéné est un gaz suroxygéné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz oxygéné est Injecté à débit fixe 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'analyse dynamique est menée sur au moins un signal choisi parmi le potentiel d'oxydoréduction et la concentration en oxygène dissous mesurés au sein du réacteur. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz oxygéné est injecté à débit variable régulé 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit variable du gaz oxygéné est régulé de façon à ce qu'au moins une grandeur caractéristique de l'activités biologique atteigne une valeur de consigne donnée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la grandeur caractéristique de l'activité biologique mesurée au sein du réacteur est choisie parmi . le potentiel d'oxydo-réduction, la concentration en oxygène dissous, le pH de l'effluent, la concentration en éléments polluants type NH4+ ou N0, la fluorescence. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'analyse dynamique est menée sur un signal lié à l'injection du gaz oxygéné tel que l'ouverture dz da vanne d'ajout du gaz oxygéné ou la valeur du débit de gaz oxygéné ajouté. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes aérobies sont démarrées dès la mise en évidence, par analyse dynamique, du point caractéristique de la fin de la dénitrification bio) og) que. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'analyse dynamique est menée sur le potentiel d'oxydo-réduction mesuré au sein du réacteur 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comprend au moins la succession de deux séquences aérobie/anoxique pour lesquelles le gaz oxygéné mis en contact avec l'effluent aqueux dans les deux étapes aérobies présente des teneurs en oxygène différentes dans ces deux étapes aérobies. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au cours de toutes les étapes aérobies du procédé au moins de l'air est mis en contact avec l'effluent aqueux. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'enchaînement des deux séquences aérobie/anoxique (où une étape aérobie met en oeuvre de l'air et la deuxième étape aérobie met en oeuvre de l'air et un gaz suroxygéné) se répète tout au long du procédé. 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au cours de toutes les étapes aérobies du procédé, au moins un gaz suroxygéné est mis en contact avec l'effluent aqueux. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'au cours d'au moins une des étapes aérobies du procédé, de l'air est mis en contact avec l'effluent aqueux. 15. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les étapes aérobies du procédé mettent en oeuvre la mise en contact de l'effluent aqueux soit uniquement avec un gaz suroxygéné, soit uniquement avec de l'air. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le procédé comprend majoritairement des étapes aérobies mettant en oeuvre) la mise en contact de uent aqueux uniquement avec un gaz suroxygéné.