Brevet FR2821346A1 — publié le 20020830

L'invention concerne un procédé de traitement des eaux usées, ainsi qu'une installation destinée au traitement des eaux usées mettant en oeuvre un tel procédé. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de dénitrification des eaux usées, destiné aux stations d'épuration de petite capacité, ainsi qu'une installation permettant de mettre en oeuvre ce procédé. Les effluents traités doivent répondre à un certain nombre de critères précis, concernant non seulement la pollution carbonée, mais également la pollution azotée. La mesure de la pollution carbonée est liée à deux critères principaux : la demande chimique en oxygène (DCO) et la demande biologique en oxygène en 5 jours (DB05) des effluents traités. Le niveau de performance demandé par les directives européennes et la réglementation française est généralement un effluent traité ayant une DCO inférieure à 125 mg d'oxygène par litre, et une DB05 inférieure à 25 mg d'oxygène par litre. Concernant la pollution azotée, l'azote total Kjeldhal (NTK) doit être présent dans une concentration inférieure à 15, voire à 5 mag/1, ce qui signifie que la majorité de l'azote organique est transformé en nitrates, ou bien l'azote global (NGL) doit être présent dans une concentration inférieure à 25, voire 15 ou 10 mg/l., ce qui signifie que l'azote organique est transformé en nitrates et que ceux-ci sont ensuite dénitrifiés. En effet, bien que les nitrates soient beaucoup moins polluants que l'azote organique, ceux-ci présentent néanmoins un danger certain pour les cours d'eau et les nappes phréatiques. Il est par conséquent nécessaire de transformer ces nitrates en azote gazeux par dénitrification, l'azote gazeux étant quant à lui complètement inoffensif pour l'environnement. Cette dénitrification est accomplie par des bactéries aérobies facultatives (pouvant prospérer également en conditions anaérobies) se trouvant dans un milieu riche en nitrates, pauvre en oxygène (concentration voisine de zéro), et contenant des matières organiques. L'efficacité de la dénitrification sera d'autant plus élevée qu'il y aura plus de matière organique dans le milieu, car les matières organiques sont consommées par les bactéries et font augmenter leur métabolisme. Dans une chaîne de traitement ordinaire des eaux usées, l'oxydation de l'azote et des matières organiques vont de pair, si bien que l'on obtient en bout de chaîne une eau riche en nitrates, bien oxygénée et contenant peu de matière organique, ce qui empêche toute dénitrification spontanée. Dans les stations d'épuration de grande capacité, dans lesquelles de nombreux automatismes et systèmes de contrôle sont installés, il est connu de procéder à la dénitrification en renvoyant l'eau contenant les nitrates dans une zone pauvre en oxygène et riche en matières organiques provenant des eaux usées brutes elles-mêmes, ou bien apportées artificiellement (méthanol par exemple). Un tel procédé, qui nécessite un système de surveillance et de pilotage complexe, est cependant difficilement applicable dans les stations d'épuration de petite capacité, qui recourent à des techniques spécifiques. Le traitement des eaux usées des petites collectivités (moins de 1000 habitants) peut être assuré par divers types de filières biologiques : lagunage, lits planté de roseaux, boues activées, biodisques, lits bactériens, lits d'infiltration-percolation et filières dites d'assainissement autonome dont le principe est dérivé des filières d'assainissement individuel. Les filières rustiques (lagunage et lits plantés de roseaux) se conjuguent mal avec un procédé de dénitrification qui demande des équipements électromécaniques et des réglages très précis : ces filières perdraient en effet tous leurs avantages initiaux de simplicité de fonctionnement et d'entretien qui les font généralement choisir. Les filières intensives (boues activées, biodisques, lits bactériens), impliquent une gestion rigoureuse des boues produites, et mettent en jeu des éléments électromécaniques nécessitant des réglages précis et fréquents. Des procédés de nitrification sont par conséquent possibles à mettre en oeuvre dans ce type de filières. On peut en citer des exemples déjà existants : - recirculation des effluents nitrifiés dans une cuve contenant des boues issues de la décantation primaire et constituant un apport de matière organique en milieu anoxique ; - fonctionnement séquentiel de plusieurs filières en parallèle selon le cycle suivant : admission des effluents, aération et nitrification en mélange avec une biomasse bactérienne importante, arrêt de l'aération et consommation d'oxygène par la biomasse, dénitrification (la biomasse constituant l'apport organique par autoconsommation), décantation et évacuation des effluents épurés et dénitrifiés ; - envoi des effluents épurés contenant les nitrates dans une chaîne supplémentaire anoxique contenant une biomasse spécifique alimentée avec une source exogène de carbone (méthanol par exemple). Ces procédés de dénitrification nécessitent cependant des systèmes de gestion et de pilotage aussi complexes que ceux des stations d'épuration de grande capacité, et entraînent par conséquent des coûts de fonctionnement élevés. Enfin, dans les filières utilisant des lits d'infiltration-percolation ou des techniques d'assainissement autonome, deux cas généraux se présentent : - les effluents sont infiltrés dans le sol qui constitue le milieu récepteur : les nitrates ne peuvent donc pas être récupérés, ce qui empêche toute possibilité de dénitrification ; - les effluents sont récupérés après filtration grâce à un système de drainage, ce qui permet de mettre en oeuvre un procédé de dénitrification. C'est le cas de certains épandages sur lit de sable, de certains lits de sable à infiltration- percolation, et des filtres compacts à zéolithe réalisés selon le brevet n EP0672440 de la demanderesse. Les massifs de sable présentent néanmoins un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, la granulométrie et la porosité d'un sable ne permettent pas de faire recirculer les effluents nitrifiés en tête de station pour utiliser les matières organiques issues de la décantation primaire, ou même contenues dans les eaux brutes. En effet, cette recirculation conduirait à faire passer dans les massifs de sable au minimum trois fois le débit habituel, ce qui pourrait entraîner une saturation hydraulique du massif de sable, et par conséquent une perte de la capacité à s'aérer et un dysfonctionnement total du système. La solution consistant à doubler ou tripler la surface des massifs entraînerait un coût et une emprise au sol de la station disproportionnés. Il serait également envisageable d'utiliser plusieurs massifs fonctionnant en alternance avec des séquences de saturation et d'aération. Mais cela conduirait également à augmenter de façon conséquente la surface du massif de sable, ce qui entraînerait de grands risques de colmatage de massifs. Ainsi, l'utilisation d'un massif de sable comme procédé nitrifiant conduit, pour pouvoir dénitrifier, à faire passer la surface des massifs de 3 à au minimum 6 m2 par habitant ; il faut en outre prévoir un réacteur supplémentaire au sein duquel se déroule la dénitrification elle-même. L'utilisation d'un massif filtrant à base de zéolithe du type de celui décrit dans le brevet de la demanderesse n EP0672440 permet au contraire, grâce à sa porosité beaucoup plus élevée, d'appliquer un régime hydraulique important lors de la recirculation des effluents. En effet, la porosité y est beaucoup plus élevée : 60% en volume au lieu de 18%. Plus précisément, le massif de zéolithe comporte en volume 30% de porosité capillaire contre 15% pour le sable, et 30% de macroporosité, contre 3% pour le sable. Les régimes hydrauliques applicables sont par conséquent très différents, et il est possible d'alimenter un massif de zéolithe, dans le cadre d'une recirculation des effluents, avec une charge hydraulique de 750 l/m2, soit 0,8 m2 par habitant, contre 6 pour un massif de sable. Ainsi, l'invention propose un procédé simple de dénitrification des eaux usées, applicable aux stations d'épuration de petite capacité, ainsi qu'une installation permettant de mettre en oeuvre ce procédé. Ce procédé présente l'avantage, outre sa simplicité, de ne pas nécessiter une augmentation des dimensions de la station d'épuration, ce qui permet de limiter fortement les coûts liés au traitement des eaux usées. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet un procédé de dénitrification des eaux usées comprenant les étapes successives suivantes : - une première étape dans laquelle les eaux usées subissent une hydrolyse, dans un système de traitement primaire, pour transformer les molécules organiques contenant de l'azote en azote ammoniacal, - une deuxième étape dans laquelle les eaux provenant de la première étape passent dans un réacteur de dénitrification comprenant de la pouzzolane et des bactéries aptes, en milieu anoxique, à transformer les nitrates en azote gazeux, - une troisième étape dans laquelle les eaux provenant de la deuxième étape passent dans un filtre renfermant un massif de zéolithe aérobie, pour transformer l'azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates par oxydation, - une quatrième étape consistant à récupérer une partie des eaux provenant de la troisième étape en vue de leur usage, - une cinquième étape dans laquelle l'autre partie des eaux provenant de la troisième étape sont recyclées dans le réacteur de dénitrification, pour transformer les nitrates présents en azote gazeux, de telle sorte que le réacteur de dénitrification soit alimenté d'une part par les eaux provenant de la première étape, et d'autre part par les eaux provenant de la cinquième étape. Selon un premier mode de réalisation, on peut contrôler le débit de recirculation des eaux usées, en le mesurant immédiatement avant ou après le traitement primaire des eaux usées, de telle sorte que le débit de recirculation soit environ trois fois plus important que le débit entrant. Selon un deuxième mode de réalisation, on peut limiter le débit de recirculation des eaux usées, en mesurant le potentiel d'oxydo-réduction pendant ou immédiatement après le passage des eaux usées dans le réacteur de dénitrification. Le débit sera alors maintenu à une valeur telle que le potentiel d'oxydo-réduction ne dépasse pas un seuil prédéterminé. Selon un deuxième aspect, l'invention a pour objet une installation destinée au traitement d'eaux usées, mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. Cette installation comprend, d'amont en aval, un système d'arrivée des eaux usées, un système de traitement primaire, essentiellement de décantation d'eaux usées, un réacteur de dénitrification comprenant de la pouzzolane, un système de filtration des eaux usées formé d'un massif de zéolithe, et un réservoir muni d'une surverse pour la sortie des eaux traitées, et de pompes agencées pour faire recirculer les eaux usées à travers le réacteur de dénitrification. Selon un mode de réalisation, le système de traitement primaire comprend une fosse septique toutes eaux destinée au traitement anaérobie des eaux usées, préférentiellement réalisée selon le brevet européen n 0240412 de la demanderesse. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description faite en référence à la figure 1 annexée, représentant une vue générale schématique d'une installation de traitement des eaux usées, selon un mode de réalisation de l'invention. Selon ce mode de réalisation particulier, le réacteur de dénitrification 2 ainsi que le filtre à zéolithe 3 sont divisés en deux modules chacun. Ces deux entités peuvent en effet être constituées d'un ou de plusieurs modules, suivant, par exemple, la topographie du terrain d'implantation de la station de traitement des eaux usées, ou encore la variation de population annuell de la commune sur laquelle la station est installée. Les eaux usées, issues du réseau de collecte, arrivent tout d'abord dans une fosse septique 1, du type de la fosse septique toutes eaux décrite dans le brevet EP0240412, au nom de la demanderesse, avec un débit entrant QO. Cette fosse 1 assure la décantation des eaux usées et la digestion des boues. Son volume utile total varie entre 300 et 700 litres par habitant. Au sein de la fosse 1, la matière organique est hydrolyse, et l'azote intégré aux molécules organiques est transformé en azote ammoniacal NH4. Les eaux sortant de la fosse 1 passent ensuite dans le réacteur de dénitrification 2. Ce réacteur 2 est constitué d'un massif de pouzzolane d'un volume compris entre 200 et 500 litres par personne, préférentiellement de l'ordre de 300 litres par personne. Les pores de la pouzzolane renferment des bactéries aérobies. Ces bactéries sont aptes, en milieu anoxique, à transformer les nitrates en azote gazeux. Elles n'agissent pas sur l'azote ammoniacal qui sort de la fosse 1, celuici passe donc sans conséquence au sein du réacteur de dénitrification 2. Le massif de pouzzolane est alimenté depuis la fosse 1 soit par le bas avec évacuation par surverse en haut, soit par le haut avec évacuation par pompe ou par surverse siphoïde. Dans les deux cas, le massif est toujours noyé de façon à favoriser l'anoxie, et un espace est aménagé entre le fond du réacteur 2 et le massif de pouzzolane pour permettre la circulation de l'eau. Ceci peut être réalisé en posant la pouzzolane sur un caillebotis ou une plaque perforée dont les ouvertures sont de taille légèrement inférieure au calibre de la pouzzolane. Dans une forme de réalisation préférée, la pouzzolane a une granulométrie comprise entre 18 et 25 mm, et le massif a une hauteur de 66 cm, et une surface de 0,5 m2 par habitant raccordé. La pouzzolane repose sur un caillebotis en polyester et fibre de verre à maille carrée de 14 mm, reposant lui-même sur des plots de 30 cm de hauteur. Les eaux sortant du réacteur de dénitrification 2, contenant toujours de l'azote ammoniacal, passent ensuite sur un filtre aérobie à zéolithe 3, du type de celui décrit dans le brevet EP 0672440 au nom de la demanderesse. Ces eaux alimentent le massif de zéolithe par le haut, et sont extraites par le bas grâce à un drainage gravitaire. Le massif de zéolithe n'est jamais noyé de façon à permettre une aération optimale. Les eaux peuvent être réparties en surface du massif de zéolithe par tout moyen hydraulique convenable : aspersion, épandage grâce à un réseau de tubes perforés et mis en pression grâce à une pompe ou un mécanisme de chasse. La zéolithe utilisée est du type chabazite. Le massif de zéolithe comprend une couche supérieure d'épaisseur 30 à 80 cm, préférentiellement 50 à 60 cm, et de granulométrie comprise entre 2 et 5 mm. Le massif comprend également une couche inférieure d'épaisseur 10 à 40 cm, préférentiellement 15 à 30 cm, et de granulométrie comprise entre 0,5 et 2 mm. La surface du massif de zéolithe est comprise entre 0,6 et 1 m2 par habitant raccordé, préférentiellement 0,8 m2. Au sein de ce filtre aérobie 3, l'azote ammoniacal NH4 est oxydé en nitrites N02, puis en nitrates N03. Les eaux ainsi transformées arrivent ensuite dans un réservoir 4 muni d'une surverse qui rejoint l'exutoire de la station, et d'une ou de plusieurs pompes permettant de renvoyer une partie des effluents vers le réacteur de dénitrification 2. En effet, les eaux venant d'être nitrifiées dans le filtre à zéolithe 3 recirculent à travers le réacteur de dénitrification 2 pour y être traitées. Au sein de ce réacteur 2, l'oxygène contenu dans les molécules de nitrates est capturé par les bactéries qui consomment la matière organique soluble sortant de la fosse 1. Ces bactéries transforment par conséquent les nitrates NO 3 en azote gazeux N2, qui est ensuite restitué à l'atmosphère. Le débit de recirculation produit par le système de pompage du réservoir 4 est de l'ordre de trois fois le débit entrant (3Q), de sorte que le réacteur dénitrifiant 2 reçoive une part d'eau traitée par la fosse 1 (avec un débit QO) pour trois parts d'eau recirculée (avec un débit 3so). Le volume du réservoir 4 est sensiblement égal à 25% de celui de la fosse toutes eaux 1. La surverse du réservoir 4, qui rejoint l'exutoire de la station, permet d'évacuer les eaux contenant un mélange d'eaux dénitrifiées et d'eaux nitrifiées, dans une proportion d'environ trois quarts/un quart. L'installation peut également comprendre des automatismes, en particulier un débimètre par sonde à ultrasons en entrée ou en sortie de fosse 1. Les données de ce débimètre sont envoyées à un calculateur commandant le pompage de recirculation, de façon à toujours maintenir un débit de recirculation de l'ordre de trois fois le débit entrant, quelque soit ce débit. A cet effet, les pompes de recirculation peuvent être à débit variable. Une sonde de mesure du potentiel d'oxydo-réduction reliée au calculateur mentionné précédemment peut également être installée dans le réacteur de dénitrification 2, ou à sa sortie. Ce système permet de limiter le débit de recirculation en cas de débit entrant trop important. En effet, cela risquerait d'entraîner une oxygénation trop importante du réacteur de dénitrification 2, conduisant à une perte d'annoxie, ce qui empêcherait tout procédé de dénitrification. Ce phénomène se traduirait par une augmentation du potentiel d'oxydoréduction au-delà de +50 à +100 mV. Un système limiteur de débit, du type de celui décrit dans la demande de brevet n 0016085, peut également être placé entre la fosse 1 et le réacteur de dénitrification 2 étant convenu que, dans ce cas, le réacteur de dénitrification 2 et le filtre à zéolithe 3 seront compris comme constituant ensemble le groupe filtrant. Ce système limiteur de débit comprend au moins un dispositif limiteur de débit fonctionnant selon le principe de l'ajutage, et comprenant une cuve comportant : - une entrée, plus spécialement par le dessous de la cuve, débouchant dans un compartiment à paroi verticale, - des moyens d'ajutage disposés transversalement à la paroi du compartiment, destinés à évacuer les effluents du compartiment vers un conduit de sortie de la cuve, le débit d'ajutage dépendant des dimensions de l'ajutage et de la hauteur de mise en charge située au-dessus des moyens d'ajutage, - des moyens d'évacuation des effluents débordant du compartiment non conduits vers le système de filtration. Le procédé de dénitrification décrit ci-dessus permet d'obtenir des effluents de sortie contenant moins de 20 mg/1 d'azote global. Il permet en outre d'obtenir, en sortie, des effluents dont la demande chimique en oxygène (DCO) et la demande biologique en oxygène à 5 jours (DB05) sont respectivement inférieures ou égales à 90 et 25 mg/1. Le procédé de dénitrification décrit ci-dessus, ainsi que l'installation pour la mise en oeuvre de ce procédé permettent par conséquent d'obtenir, de façon simple et peu coûteuse, des eaux traitées répondant de façon optimale aux niveaux de performance requis, dans le cadre de la protection de l'environnement. REVENDICATIONS 1. Procédé de dénitrification des eaux usées caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - une première étape dans laquelle les eaux usées subissent une hydrolyse, dans un système de traitement primaire (1), pour transformer les molécules organiques contenant de l'azote en azote ammoniacal, - une deuxième étape dans laquelle les eaux provenant de la première étape passent dans un réacteur de dénitrification (2) comprenant de la pouzzolane et des bactéries aptes, en milieu anoxique, à transformer les nitrates en azote gazeux, - une troisième étape dans laquelle les eaux provenant de la deuxième étape passent dans un filtre (3) renfermant un massif de zéolithe aérobie, pour transformer l'azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates par oxydation, - une quatrième étape consistant à récupérer une partie des eaux provenant de la troisième étape en vue de leur usage, une cinquième étape dans laquelle l'autre partie des eaux provenant de la troisième étape sont recyclées dans le réacteur de dénitrification (2), pour transformer les nitrates présents en azote gazeux, de telle sorte que le réacteur de dénitrification (2) soit alimenté d'une part par les eaux provenant de la première étape, et d'autre part par les eaux provenant de la cinquième étape. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on contrôle le débit de recirculation des eaux usées en le mesurant immédiatement avant ou après le traitement primaire des eaux usées, de telle sorte que le débit de recirculation soit environ trois fois plus important que le débit entrant. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on limite le débit de recirculation des eaux usées en mesurant le potentiel d'oxydo-réduction pendant ou immédiatement après le passage des eaux usées dans le réacteur de dénitrification (2), et en maintenant le débit à une valeur telle que le potentiel d'oxydo-réduction ne dépasse pas un seuil prédéterminé. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, en sortie, les effluents contiennent moins de 20 mag/1 d'azote global. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel, en sortie, les effluents ont une demande chimique en oxygène et une demande biologique en oxygène à 5 jours respectivement inférieures ou égales à 90 et 25mg/1. 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend, d'amont en aval, un système d'arrivée des eaux usées, un système de traitement primaire (1), essentiellement de décantation d'eaux usées, un réacteur de dénitrification (2) comprenant de la pouzzolane et des bactéries, un système de filtration (3) des eaux usées formé d'un massif de zéolithe, et un réservoir (4) muni d'une surverse pour la sortie des eaux traitées, et de pompes agencées pour faire recirculer les eaux usées à travers le réacteur de dénitrification (2). 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le système de traitement primaire (1) comprend une fosse septique toutes eaux destinée au traitement anaérobie des eaux usées. 8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le réacteur de dénitrification (2) est alimenté depuis la fosse (1) par le bas, avec évacuation par surverse en haut. 9. Installation selon la revendication 6 ou 7 caractérisée en ce que le réacteur de dénitrification (2) est alimenté depuis la fosse (1) par le haut avec évacuation par pompe ou par surverse siphoïde. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que, dans le réacteur de dénitrification (2), un espace est aménagé entre le fond du réacteur (2) et le massif de pouzzolane, de façon à permettre la circulation de l'eau. 11. installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le volume du réacteur de dénitrification (2) est compris entre 200 et 500 litres par personne. 12. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de filtration (3) est alimenté, depuis le réacteur de dénitrification (2), par le haut, les eaux filtrées étant extraites par le bas par drainage gravitaire. 13. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le massif de zéolithe formant le système de filtration (3) comprend une couche supérieure d'épaisseur 30 à 80 cm, et de granulométrie comprise entre 2 et 5 mm, et une couche inférieure d'épaisseur 10 à 40 cm, et de granulométrie comprise entre 0,5 et 2 mm. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la surface du massif de zéolithe est comprise entre 0,6 et 1 m2 par habitant raccordé. 15. lnstallation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que la zéolithe est du type chabazite. 16. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le volume du réservoir (4) est sensiblement égal à 25% de celui de la fosse toutes eaux 1. 17. installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens agencés pour contrôler et/ou limiter le débit de recirculation des eaux usées. 18. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, entre la fosse 1 et le réservoir de dénitrification 2, un système limiteur de débit agencé pour limiter le débit des eaux traitées arrivant au système de dénitrification.