Brevet FR2833940A1 — publié le 20030627

Procédé et dispositif pour le traitement biologique d'effluents fortement chargés en ammonium. L'invention concerne le domaine du traitement biologique des effluents liquides. Plus précisément, l'invention concerne le domaine du traitement biologique des effluents contenant une teneur en azote ammoniacal soluble dissous (N-NH) élevée. De tels effluents proviennent notamment de l'industrie agroalimentaire, de la pétrochimie, de la sidérurgie, de la chimie, du traitement des eaux usées, du traitement des déchets, etc... Ils peuvent ainsi être constitués par exemple des lixiviats de décharges provenant du stockage des ordures ménagères, des lixiviats provenant de l'activité d'élevage intensif d'animaux, d'effluents du raffinage, de la chimie du gaz de synthèse, d'eaux ammoniacales des cokeries, des purges d'ateliers de lavage des gaz des hauts fourneaux, d'effluents provenant du lavage des fumées et/ou de la gazéification du charbon, d'eaux fortement chargées en ammonium, générées par le traitement anaérobie des eaux usées, d'eaux usées contenant de l'ammonium, traitées préalablement pour leur carbone, des liquides provenant de traitement physiques, biologiques, chimiques ou mixtes des boues de stations d'épuration ou de leur stockage, notamment des lixiviats de tas de boues d'épandage, des surverses de digesteurs, etc. Cette liste n'est pas exhaustive. Les procédés biologiques pour traiter la pollution azotée connus de l'art antérieur font intervenir deux étapes : une étape de nitrification et une étape de dénitrification de l'effluent.' L'étape de nitrification est effectuée à l'aide d'une biomasse qui transforme, en présence d'oxygène, l'azote ammoniacal soluble dissous (N-NH) en nitrites et en nitrates. La biomasse utilisée dans ce cadre est constituée par des bactéries autotrophes, par exemple Nitrosomonas et Nitrobacter, qui utilisent du carbone inorganique comme source de carbone pour se développer. L'étape de dénitrification est effectuée à l'aide d'une biomasse qui transforme les nitrites et les nitrates en azote gazeux moléculaire. Ces micro-organismes hétérotrophes, qui peuvent être par exemple de type Bacillus, Chromobacterium, Micrococcus, Pseudomonas et Spirilium, utilisent l'oxygène lié aux nitrites et aux nitrates. L'étape de dénitrification est donc effectuée en anoxie. Cette biomasse dénitrifiante utilise le carbone organique assimilable présent dans le milieu comme source de carbone. Le traitement biologique par nitrification/dénitrification des effluents fortement chargés en pollution ammoniacale dissoute se heurte toutefois à deux problèmes importants. En premier lieu, l'étape de nitrification est souvent inhibée par la transformation des ions ammonium en nitrites ou par celle des ions nitrites en acide nitreux. Parmi les bactéries utilisées dans le cadre du procédé de nitrification/dénitrification, les Nitrobacters sont les organismes les plus sensibles. Il se produit donc une accumulation indésirable de nitrites dans le milieu qui ne peuvent plus être transformés en nitrates. Par ailleurs, les sources naturelles de carbone organique assimilable présent dans l'effluent à traiter sont souvent trop faibles pour permettre la dénitrification totale des nitrites et éventuels nitrates formés lors de l'étape de nitrification. Il est alors nécessaire d'ajouter du carbone exogène directement dans l'effluent. Une telle solution n'est toutefois pas économiquement acceptable et peut augmenter considérablement le coût de mise en oeuvre du procédé. On notera que, selon l'art antérieur, les étapes de nitrification et de dénitrification peuvent être effectuées soit dans des réacteurs séparés, l'un fonctionnant avec aération l'autre sans aération, soit dans le même réacteur avec une aération séquencée permettant de ménager des périodes d'aération et des périodes d'anoxie au sein du réacteur, périodes propices à la mise en oeuvre des étapes de nitrification et de dénitrification. Encore un autre inconvénient de l'utilisation du procédé classique de nitrification/dénitrification pour le traitement d'effluents fortement chargés en ammonium consiste dans le fait qu'il conduit dans ce cas à des productions importantes de boues. Or, dans tous les procédés de traitement d'effluents, on cherche à diminuer la quantité de boues produites. La présente invention a pour objectif de proposer un procédé ou une installation permettant de résoudre ces différents problèmes. Notamment, un objectif de la présente invention est de proposer un procédé de traitement des effluents fortement chargés en pollution ammoniacale dissoute plus simple que le procédé classique de nitrification/dénitrification. Encore un autre objectif de la présente invention est de proposer un procédé conduisant à l'obtention de peu de boues. Egalement un objectif est de proposer un procédé et une installation permettant de concevoir des filières de traitement compactes. Ces différents objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un procédé de traitement biologique d'effluents fortement chargés en azote ammoniacal soluble dissous (N-NH) caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire transiter ledit effluent dans un réacteur contenant une biomasse au moins en partie fixée sur un support présentant une surface spécifique élevée supérieure ou égale à 500 m2/ m3, ladite biomasse étant apte à dégrader l'ammonium contenu dans l'effluent jusqu'au stade de l'azote gazeux moléculaire, ladite étape étant menée sous aération modérée continue, sans agitation et sans ou avec très peu d'apport extérieur de carbone biodégradable et avec un minimum de réactifs alcalins relativement à la quantité d'ammonium à traiter comme indiqué ci-après. En pratique, le procédé selon l'invention pourra être plus efficacement mis en oeuvre lorsque le rapport N-NH//DBO est supérieur à 2,2, préférentiellement à 4,4 ce qui correspond à un rapport Corg/N-NH inférieur ou égal à 0,45, préférentiellement à 0,22. L'invention permet donc de s'affranchir de la nécessité de mettre en oeuvre des périodes ou des zones aérobies et des périodes ou des zones anoxiques pour traiter la pollution azotée et, de façon a priori étonnante, autorise un tel traitement avec une aération modérée continue. Le procédé induit donc, par rapport au procédé classique de nitrification/ dénitrification des économies substantielles, à la fois sur la source d'oxygène (économie de l'ordre de 25%) et sur la source de carbone (économie de l'ordre de 99,5% à 100 %). Il permet aussi une économie de l'ordre de 50 % sur l'utilisation classique de réactifs alcalins et supérieure à 90 % sur la production de boues, en comparaison avec les consommations et productions équivalentes du procédé classique de nitrification dénitrification Un autre avantage observé du procédé réside dans le fait qu'il permet un démarrage du traitement de l'azote très rapide, en pratique en moins de 10 jours, ce qui représente un gain de plus d'une semaine par rapport à un traitement classique par nitrification/dénitrification, ainsi qu'un temps de mise en régime de moins d'un mois et demi avec un taux d'élimination de N-NH d'au moins 90 %. Un autre avantage du procédé selon l'invention est qu'il résiste mieux à des àcoups d'alimentation. Il conduit de surcroît à fabriquer peu de boues, ce qui permet une économie sur les bassins nécessaires à la production et au stockage de celles-ci, ainsi que sur tout ce qui est lié à leurs éventuels traitement et/ou évacuation. Un autre avantage intéressant du procédé selon l'invention consiste aussi dans le fait qu'un ratio azote/phosphore plus élevé comparativement à celui d'une nitrification /dénitrification classique ne nuit pas aux micro-organismes impliqués dans celui-ci. Au sujet de ces microorganismes, on notera qu'ils pourront se développer à partir de l'effluent lui-même ou être apportés par ensemencement. Le procédé selon l'invention peut être utilisé : - en pré-traitement de fortes concentrations en azote ammoniacal dissous, par exemple en vue d'envoyer un effluent moins pollué sur une station d'épuration des eaux usées urbaines ; - en traitement direct complet de la pollution ammoniacale dissoute lorsqu'elle est l'élément majeur à traiter en proportion du carbone organique ; - en post-traitement à un traitement du carbone organique ou d'autres polluants. Les supports utilisés dans le cadre du procédé selon l'invention pourront être de nature minérale, organique naturelle ou synthétique. Parmi les matériaux d'origine minéral, on peut citer le sable, le charbon actif ou non, le schiste, l'argile, la magnétite. Parmi les matériaux d'origine organique, on peut citer le polystyrène, le polyéthylène, le polyéthylène glycol, le polyuréthane, le nylon, les mousses. Cette liste n'est pas exhaustive. Toutefois, préférentiellement, le support utilisé sera choisi dans le groupe constitué par les billes, les grains, les anneaux de Raschig, les selles, les tubes cloisonnés, les filaments ou fils ainsi que les matériaux fibreux en général. D'une façon préférée entre toutes, ledit support est constitué par des fils ou filaments reliés entre eux et pouvant par exemple former des pompons tels que ceux faisant l'objet du brevet français FR2681798 publié le 2 avril 1993. Selon un autre aspect préférentiel de l'invention, le procédé est mis en oeuvre à une température comprise entre 15 C et 30 C, préférentiellement entre 20 C et 25 C. Ainsi, l'invention présente également l'avantage de ne pas nécessiter, dans la plupart des cas, un chauffage de l'effluent à traiter. Avantageusement, le procédé est mis en oeuvre avec un temps de rétention hydraulique de l'effluent dans ledit réacteur compris entre 0,3 et 2 jours, préférentiellement entre 1 et 1,5 jours. Egalement avantageusement, l'aération continue est effectuée de façon à maintenir un taux d'oxygène dans l'effluent présent dans le réacteur inférieur ou égal à 0,7 mg/l, préférentiellement compris entre 0,3 et 0,7 mg/l. Selon une variante intéressante de l'invention, le procédé comprend une étape complémentaire de régulation de l'alcalinité de l'effluent qui consiste préférentiellement à mesurer en entrée du réacteur un paramètre représentatif de l'alcalinité de l'effluent, préférentiellement le taux alcalimétrique complet (TAC) de l'effluent et en parallèle la mesure de l'ammonium, le cas échéant, à ajouter au moins un réactif alcalin à l'effluent, si la valeur dudit paramètre représentatif de l'alcalinité mesurée est inférieure à un seuil prédéterminé. Cette régulation du TAC permet de stabiliser le pH dans une fourchette acceptable pour le procédé, entre 6, 5 et 8, 5 de préférence entre 7 et 8. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé comprend également une étape de mesure du pH de l'effluent qui peut être située, de préférence dans le réacteur, ainsi qu'une étape consistant à déclencher une alarme lorsque les paramètres représentatifs de l'alcalinité et/ou du pH de l'effluent excèdent ou sont en deçà d'une valeur prédéterminée et/ou sortent d'une fourchette de valeurs prédéterminées. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé comprenant un réacteur pourvu de moyens d'amenée de l'effluent à traiter, des supports accueillant une biomasse, des moyens d'aération en continu, des moyens d'évacuation des boues et des moyens d'évacuation de l'effluent traité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure et de rectification de l'alcalinité de l'effluent entrant dans ledit dispositif. Préférentiellement, lesdits moyens de rectification de l'alcalinité incluent des moyens de mesure d'un paramètre représentatif de l'alcalinité de l'effluent, préférentiellement le TAC de celui-ci, et de mesure du paramètre ammonium, de même que des moyens d'apport d'au moins un réactif alcalin à l'effluent. Egalement préférentiellement, le dispositif comprend aussi des moyens de mesure et de contrôle du pH de l'effluent de préférence dans le réacteur. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens d'alarme susceptibles d'être déclenchés lorsque les paramètres représentatifs de l'alcalinité et/ou du pH de l'effluent excèdent ou sont en deçà d'une valeur prédéterminée et/ou sortent d'une fourchette de valeurs prédéterminées. L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, vont maintenant être mieux compris grâce à la description qui va suivre d'un mode de réalisation de celle-ci donné en référence à la figure unique qui représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre de l'invention. Selon cette figure, le dispositif inclut un réacteur 1 pourvu de moyens d'amenée 2 de l'effluent à traiter, des supports 3 accueillant une biomasse se présentant sous la forme supportée par des pompons de filaments, des moyens d'aération en continu 4, des moyens d'évacuation des boues 5 et des moyens d'évacuation 6 de l'effluent traité. Conformément à la présente invention, ce procédé comprend des moyens de rectification de l'alcalinité de l'effluent entrant dans ledit dispositif incluant des moyens de mesure 7 du TAC et de l'ammonium de l'effluent et des moyens 8 d'apport de réactif alcalin à celui-ci Le dispositif comprend également des moyens de mesure 9 du pH de l'effluent dans le réacteur. 1 Le procédé selon l'invention a été mis en oeuvre grâce à ce dispositif avec des effluents de deux types dans les conditions figurant au tableau 1 ci-après. Cas A Cas B (effluent type jus de boue digérée) (effluents de type lixiviat de décharge) Origine effluent (s) locale (centre d'essais) : Site industriel, eau brute traitée carbone dopée en jus du stockage des ordures ammonium ménagères traité pour son carbone durée des essais 5 mois sur une même source d'effluents 3 mois/plusieurs effluents issus du dopées à plusieurs charges en azote-même bassin de traitement (dopage ammonium. occasionel quand manque d'ammoium) ensemencement testé boue activée de type nitrification /dénitrification boue activée de type nitrification /dénitrification Tableau 1 Les effluent utilisés présentaient la composition moyenne, ou les fourchettes de valeurs, selon le tableau 2 suivant : Cas A Cas B Composition (effluents type jus de boue digérée) (effluents lixiviat de décharge) Concentration N-NH4+ de 300 à 1600 mg N / L de 150 à 650 mg N / L environ, après dopage dopage occasionnel compris Concentration N-NO2- dans 0 à 5 mg N / L de 5 à 20 mg N / L environ l'effluent d'origine Concentration N-NO3- dans ordre 20 mg N / L de 5 à 150 mg N / L environ l'effluent d'origine Alcalins exprimés en CaCO3 ordre de la dizaine de mg/L de 1.3 à 4.5 g/L environ dans l'effluent d'origine DCO totale effluent d'origine ordre 50 mg O2 / L ordre de 1 à 3 g O2 / L DCO de la partie biodégradable 0 à 20 % seulement de la DCO ordre 50 % max de la DCO totale de l'effluent d'origine totale. pH effluent d'origine 7 à 7.5 8 à 8.5 MES effluent d'origine 20 à 30 mg / L moyenne 100, max.300 mg / L Chlorures effluent d'origine ordre dizaine mg / L maximum ordre de 1 à 2 g / L Chlorures effluent dopé jusqu'à 3 g / L jusqu'à 2.5 g / L Tableau 2 Le procédé a été mené avec les paramètres de fonctionnement figurant au tableau 3 suivant : Cas A Cas B paramètres de fonctionnement (effluent type jus de boue digérée) (effluents lixiviat de décharge) Alimentation pilote continue continue démarrage ensemencement / Type Moyenne charge Type Forte charge traitement azote O2 dissous 0.5 à 2 mg / L 0.5 + ou - 0.05 mg / L Température C 15 à 35 C 20 à 25 C pH 6 à 9 7 à 8.6 alcalins exprimés en CaCO3 ordre 5.3 et plus de 4 à 6 /ammonium en N appliqué comparé à nitrification / (ordre 7.1) (ordre 7.1) dénitrification classique C biodégradable/N ordre 0.02 et 0.04 ordre de 0.2 biodégradable appliqué comparé à nitrification / (20) (20) dénitrification classique ratio N-ammonium / Pphosphates ordre 40 jusqu'à plus du double (90) phosphates comparé à nitrification / (5) (5) dénitrification classique Tableau 3 Les résultats obtenus figurent au tableau 4 ci-après : Résultats Effluent type jus de boue digérée Lixiviat de décharge durée phase ensemencement Ordre 10 jours Ordre 5 jours Abattement de N-NH4+ 75 % à 85 % 85 % Oxydation jusqu'à Nz 26 % à 47 % 60 à 70 % non mesurée mais : après 5 mois d'essais l'effluent de sortie Production de MES est limpide comme l'entrée très faible # supposé pas de production notable de à 10 % MES Influence du pH 6.5 pH 8.5 conseillé 7 pH 8 préférentiellement Influence de la température 20 à 30 C conseillé les chlorures n'ont pas gêné lue les chlorures n'ont pas gêné le les chlorures n'ont pas gêné le Influence des chlorures traitement malgré les fortes teneurs traitement malgré les fortes teneurs dopage Meilleure résistance lorsque supports que sans supports : de Influence des à coups non rencontré, l'activité des microorganismes après d'alimentation régime constant soutenu une courte phase de réadaptation (ordre jours). - sur O2 = 25 % - sur O2 = 25 %, Economies diverses comparé à - sur source d'alcalins = 50 %, - sur source d'alcalins = 50 %, nitrification/dénitrification - sur production de boues > > 90 % sur production de boues > > 90 % classique - pas d'apport en carbone - pas d'apport en carbone organique organique Remarques Le traitement complet de l'azote devrait Le traitement complet de l'azote Remarques atteindre ordre 90 % ou plus quand complémentaires devrait atteindre ordre 90 % ou plus bonne régulation pour effluent stable Tableau 4 REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement biologique d'effluents contenant de l'ammonium caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à faire transiter ledit effluent dans un réacteur contenant une biomasse au moins en partie fixée sur un support présentant une surface spécifique élevée supérieure ou égale à 500 m2/m3, ladite biomasse étant apte à dégrader l'ammonium contenu dans l'effluent jusqu'au stade de l'azote gazeux moléculaire, ladite étape étant menée sous aération modérée continue, sans agitation et sans ou avec très peu d'apport extérieur de carbone biodégradable et avec un minimum de réactifs alcalins. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit effluent présente un ratio N-NH/DBOs supérieur à 2,2, préférentiellement supérieur à 4,4. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit support est choisi dans le groupe constitué par les billes, les grains, les anneaux de Raschig, les selles, les tubes cloisonnés, les filaments ou fils. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit support est constitué par des fils ou filaments reliés entre eux. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est effectué à une température comprise entre 15 et 30 C, préférentiellement entre 20 et 25 C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre avec un temps de rétention hydraulique de l'effluent dans ledit réacteur compris entre 0,3 et 2 jours, préférentiellement entre 1 et 1,5 jours. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'aération continue est effectuée de façon à observer un taux d'oxygène dans l'effluent présent dans le réacteur inférieur ou égal à 0,7 mg/l, préférentiellement compris entre 0, 3et0, 7mg/l. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend une étape complémentaire de régulation de l'alcalinité de l'effluent. 9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite étape complémentaire de régulation consiste à mesurer en entrée du réacteur un paramètre représentatif de l'alcalinité de l'effluent, préférentiellement le taux alcalimétrique complet (TAC) de l'effluent et en parallèle la mesure de l'ammonium et, le cas échéant, à ajouter au moins un réactif alcalin à l'effluent, si la valeur dudit paramètre mesuré est inférieure à un seuil prédéterminé, ladite étape permettant de stabiliser le pH de l'effluent dans une fourchette comprise entre 6, 5 et 8, 5, préférentiellement entre 7 et 8 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mesure du pH de l'effluent préférentiellement dans le réacteur. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à déclencher une alarme lorsque les paramètres représentatifs de l'alcalinité et/ou du pH de l'effluent excèdent ou sont en deçà d'une valeur prédéterminée et/ou sortent d'une fourchette de valeurs prédéterminées. 12. Dispositif spécialement conçu pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 8 comprenant un réacteur (1) pourvu de moyens d'amenée (2) de l'effluent à traiter, des supports (3) accueillant une biomasse, des moyens d'aération (4) en continu, des moyens d'évacuation (5) des boues et des moyens d'évacuation (6) de l'effluent traité, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure et de rectification (7, 8) de l'alcalinité de l'effluent entrant dans ledit dispositif. 13. Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il inclut des moyens de mesure (7) d'un paramètre représentatif de l'alcalinité de l'effluent, préférentiellement le TAC de celui-ci, et de mesure du paramètre ammonium ainsi que des moyens (8) d'apport d'au moins un réactif alcalin à l'effluent. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure (9) du pH de l'effluent préférentiellement dans le réacteur. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'alarme susceptibles d'être déclenchés lorsque les paramètres représentatifs de l'alcalinité et/ou du pH de l'effluent excèdent ou sont en deçà d'une valeur prédéterminée et/ou sortent d'une fourchette de valeurs prédéterminées.