Brevet FR2858316A1 — publié le 20050204

La présente invention concerne un réacteur de dénitrification à culture fixée associé à un ouvrage de nitrification et d'élimination de la pollution carbonée. On sait que le traitement de l'azote en eaux résiduaires s'effectue en deux étapes: - une étape de nitrification au cours de laquelle s'effectue l'oxydation de l'azote ammoniacal présent dans l'effluent, en nitrite puis en 10 nitrate par une réaction biochimique due à l'action de bactéries autotrophes et, - une étape de dénitrification au cours de laquelle l'azote nitrate est réduit à un état plus faible d'oxydation grâce à une réaction biochimique 15 mettant en oeuvre des bactéries hétérotrophes. Chacune de ces deux étapes nécessite le respect d'un certain nombre de conditions: - l'étape de nitrification exige: un âge de boues 20 élevé, car la biomasse autotrophe a un taux de croissance lent; un pH compris entre 6 et 8 avec une valeur optimale de l'ordre de 7 étant donné que le taux de croissance des bactéries nitrifiantes décroît en dehors de ces valeurs de 25 pH et, une teneur en oxygène dissous maintenue entre 2 et 4 mg/l. - l'étape de dénitrification nécessite le respect des contraintes suivantes: un âge de boue faible étant donné que la biomasse hétérotrophe présente 30 une croissance rapide; un pH compris entre 6 et 8 avec une valeur optimale de l'ordre de 7; une très faible teneur en oxygène dissous (conditions anoxiques) étant donné que la présence d'oxygène inhibe la dénitrification et, une DBO5 suffisante pour satisfaire les besoins en carbone organique. Il résulte de ces contraintes que les phénomènes de 5 nitrification et de dénitrification sont tout à fait contradictoires. C'est la raison pour laquelle les constructeurs d'installations de traitement d'eaux résiduaires ont basé leur technique sur l'alternance spatiale et/ou temporelle des phases d'aération 10 (nitrification) et d'anoxie (dénitrification). On sait par ailleurs que la vitesse de dénitrification dépend de deux paramètres essentiels: d'une part la température et d'autre part le carbone organique 15 disponible au niveau de la boue biologique et donc, des quantités de carbone organique apportées par l'effluent à traiter (à 15 C, les valeurs sont proches de 2,5 à 3 g NNO3/kg MVS/h). A l'heure actuelle, le processus de dénitrification peut être mis en oeuvre de trois façons différentes: - dans une zone anoxie en culture libre. Le bassin d'anoxie est situé en tête de la filière de traitement et il est chargé de la dénitrification. L'apport en NO3- est 25 assuré par la recirculation de la liqueur mixte provenant du bassin d'aération et les besoins en carbone organique sont satisfaits par l'arrivée d'eau prétraitée. La biomasse dénitrifiante est recirculée du clarificateur vers le bassin d'anoxie. Le bassin d'aération assure la 30 nitrification et l'élimination complémentaire de la pollution carbonée. L'inconvénient de cette configuration résulte dans le fait qu'elle nécessite une recirculation de l'ordre de 150 à 400% du débit de l'eau brute afin de recycler les nitrates à éliminer et pour respecter un rapport C/N suffisant. En général le volume du bassin d'anoxie représente 25% du volume total nécessaire à l'épuration; - dans le bassin d'aération par syncopage de l'aération, l'alternance temporelle permettant une nitrification-dénitrification dans un bassin unique. Dans ce cas, il convient de respecter les conditions optimales suivantes: un âge de boues supérieur à 10 jours; une 10 majoration de 30% de l'aération par rapport aux exigences de la seule élimination de la pollution carbonée; un temps minimal d'anoxie de l'ordre de 8 à 10 h/j et un taux de boues d'environ 4 g MVS/l; - dans un ouvrage à biomasse fixée (biofiltre) qui, 15 au même titre qu'une zone anoxie peut permettre d'assurer la dénitrification à condition d'injecter de l'air afin de garantir un décrochage, homogène et maîtrisé, de la biomasse en excès. Partant de cet état de la technique, la présente invention se propose d'apporter un réacteur de dénitrification qui résout notamment les problèmes techniques suivants qui ne sont pas résolus par cet état de la technique: - élimination de la nécessité d'assurer un autocurage de la biomasse en excès par une injection d'air et donc de prévoir des systèmes d'aération; - réduction du volume de l'ouvrage dédié à la 30 dénitrification et - contrôle du temps de contact nécessaire à la dénitrification. En conséquence cette invention a pour objet un réacteur de dénitrification à culture fixée sur un support du type plastique organisé, associé à un ouvrage de nitrification et d'élimination de la pollution carbonée, ledit réacteur 5 étant alimenté par un mélange de l'effluent brut à traiter et de l'effluent provenant de l'ouvrage de nitrification et d'élimination de la pollution carbonée, caractérisé en ce qu'il comporte: -deux compartiments de dénitrification pourvus d'un 10 garnissage du type plastique organisé, ces compartiments, disposés en parallèle, fonctionnant par charges ou bâchées successives, c'est-à-dire en alternance l'un étant en phase de remplissage (dénitrification et autocurage de la biomasse en excès, c'est-à-dire le 15 décrochage de cette biomasse en excès par action de forces de cisaillement hydrauliques) alors que l'autre est en phase de vidange (dénitrification et drainage de la biomasse en excès, c'est-à-dire l'évacuation de la biomasse en excès décrochée lors de l'auto-curage) ; un compartiment de vidange recevant l'effluent dénitrifié dans l'un ou l'autre desdits compartiments de dénitrification; - un système d'alimentation du mélange d'effluents constitué d'un bras rotatif alimentant, en surface, 25 alternativement chacun desdits compartiments et; - des moyens assurant la recirculation de l'effluent dénitrifié depuis le compartiment de vidange vers l'ouvrage dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée. Selon la présente invention l'ouvrage dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée peut être un lit bactérien ou lit à ruissellement; un système de filtration biologique aérobie en flux d'air et d'eau ascendants du type Biofor ou des disques biologiques sur lesquels se fixe la biomasse, ces disques tournant autour d'un axe horizontal et baignant en partie dans l'effluent à traiter. Selon un mode de réalisation de la présente invention le réacteur de dénitrification décrit ci-dessus peut être intégré à une installation telle que décrite dans FR-B10 2 782 508, l'effluent dénitrifié dans ledit réacteur étant recirculé dans le lit bactérien de cette installation. Grâce à cette disposition la finition du traitement et notamment l'élimination des matières en suspension s'effectue dans les filtres plantés de roseaux 15 décrit dans ce brevet français. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un 20 exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins: La figure 1 est une vue en coupe selon I-I de la figure 4; La figure 2 est une vue de dessus de la figure 1; La figure 3 est une vue en plan de la figure 1; La figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3, La figure 5 est une vue en plan d'un exemple de 30 garnissage plastique servant de support à la biomasse fixée assurant la dénitrification, et La figure 6 représente une courbe illustrant les avantages économiques apportés par la présente invention. Ainsi qu'on le voit sur les dessins, le réacteur de dénitrification objet de la présente invention désigné dans son ensemble par la référence 1 est associé à un 5 ouvrage dans lequel s'effectue la nitrification de l'effluent ainsi que l'élimination de la pollution carbonée, cet ouvrage ayant été schématisé sur le dessin et désigné par la référence 2. Il peut s'agir notamment d'un lit bactérien ou lit à ruissellement, d'un système 10 de filtration biologique aérobie en flux d'air et d'eau ascendants du type Biofor ou de disques biologiques sur lesquels se fixe la biomasse, ces disques tournant autour d'un axe horizontal et baignant en partie dans l'effluent à traiter. Le réacteur de dénitrification comporte d'une part, deux compartiments 3 et 4, en parallèle, dédiés à la dénitrification et séparés par une cloison 5 et d'autre part un compartiment dit de vidange 6 totalement isolé 20 des compartiments 3 et 4 par une cloison longitudinale 7. Les compartiments de dénitrification 3 et 4 sont du type à culture fixée sur un support de type plastique organisé schématisé sur les figures 1, 3 et 4 par le garnissage 8. 25 Ce garnissage peut être du type illustré par la figure 5 présentant une surface spécifique comprise entre 50 et 200 m2/m3 et de préférence de 150 m2/m3, par exemple vendu sous la marque Cloisonyl par la Société française ATOCHEM et distribué par CECA ou bien d'autres produits 30 équivalents notamment le Biodec fabriqué par Munters Euroform GmbH et distribué par Socrematic SA.. Ainsi qu'on le décrira ci-après le réacteur de dénitrification 1 fonctionne en alternance par charges ou bâchées successives sur les deux compartiments 3 et 4 disposés en parallèle de la façon suivante: - phase de remplissage d'un réacteur: dénitrification et auto-curage; - phase de vidange du réacteur: dénitrification et drainage de la biomasse en excès. L'alimentation du réacteur 1 s'effectue à l'aide d'un mélange de l'effluent brut délivré par une conduite 9 et provenant par exemple d'un dégrilleur 10, cet effluent brut étant fortement chargé en matières organiques et de l'effluent provenant de l'ouvrage de nitrification 2. 15 Cette alimentation en surface, en alternance, des compartiments 3 et 4 est réalisée à l'aide d'un bras rotatif 11 et d'un répartiteur 22 à partir d'un moyen de distribution 12 recevant le mélange. Comme on le voit sur le dessin, l'ouvrage 2 dédié à la nitrification et 20 l'élimination de la pollution carbonée comporte un plancher 13 avec des moyens de reprise de l'effluent nitrifié lequel est mélangé sur un déflecteur 14 à l'effluent brut provenant de la conduite 9, avant d'alimenter le moyen de distribution 12. 25 L'une des cloisons (15 sur la figure 1) délimitant les compartiments de dénitrification 3 et 4 est conçue de façon à laisser un passage libre 16 au-dessus du plancher du réacteur 1 pour la circulation de l'effluent traité 30 dans l'un ou l'autre des compartiments 3 et 4. Des pompes de vidange 17 assurent la reprise de cet effluent, respectivement à partir des compartiments 3 et 4, et son évacuation par une conduite 18 dans le compartiment de vidange 6. La majeure partie de l'effluent traité admis dans le compartiment de vidange 6 est recirculé vers l'ouvrage 2 grâce à des pompes telles que 21 alimentant une conduite d'évacuation schématisée en 19. L'effluent 5 traité après élimination des pollutions azotée et carbonée est évacué par une surverse 20. Ainsi qu'on le comprend de la description qui précède, l'une des originalités du réacteur de dénitrification 10 objet de l'invention est la présence de deux compartiments de dénitrification disposés en parallèle et fonctionnant en alternance. Un exemple de fonctionnement est le suivant: t = 0 min: alimentation du compartiment 3 du 15 réacteur, compartiment 4 au repos, - t = 30 min: fin d'alimentation et début de vidange du compartiment 3 dans le compartiment 6 et alimentation du compartiment 4, t = 60 min: fin de vidange et début 20 d'alimentation du compartiment 3; fin d'alimentation et début de vidange du compartiment 4, - t = 90 min: fin d'alimentation et début de vidange du compartiment 4; fin de vidange et 25 début d'alimentation du compartiment 4, - t = 120 min: etc... Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, la majeure partie de l'effluent traité dans le réacteur de dénitrification 1 30 est recirculé vers l'ouvrage 2 dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée. Le taux de recirculation est de l'ordre de 300%. Le dimensionnement des volumes du réacteur de dénitrification 1 tient compte du débit de pointes horaires, ainsi que du débit maximal admissible par la station. On peut, sans sortir du cadre de l'invention, 5 prévoir un bassin tampon afin de lisser les débits et les charges. Les avantages apportés par la présente invention sont notamment les suivants: A) Temps de séjour d'immersion contrôlé : Le fait de fonctionner par charges alternées dans les compartiments 3 et 4 permet d'appliquer et de contrôler le temps de contact nécessaire à la dénitrification. Le 15 réacteur peut-être par exemple dimensionné de façon à assurer un temps de contact moyen de l'effluent de l'ordre de 30 minutes. B) Contrôle de la biomasse On a constaté avec surprise que le fait de fonctionner par charges alternées permet d'assurer l'auto-curage des compartiments 3 et 4 du réacteur lors de leur alimentation et de leur vidange. Ainsi grâce à l'invention, le décrochage de la biomasse en excès est 25 uniquement réalisé, de manière naturelle, par la force d'irrigation, comme dans un lit bactérien classique. En effet, il n'est pas nécessaire d'assurer l'auto-curage de la biomasse en excès par un apport d'air sous forme de fines bulles. L'invention permet de s'affranchir de la 30 mise en oeuvre de systèmes d'aération bruyants, générateurs d'aérosols pollués, de prix de revient, d'exploitation et d'entretien importants. C) Réduction du volume d'ouvrage dédié à la dénitrification L'invention permet de réduire considérablement le volume de l'ouvrage (compartiments 3 et 4) dédié au processus de 5 dénitrification. En effet, le volume des compartiments 3 et 4 ne représente que 10% du volume total nécessaire au traitement alors que le volume d'anoxie en boues activées correspond généralement à 25% de ce volume total. Le réacteur objet de la présente invention peut s'appliquer notamment à des stations de traitement d'eaux résiduaires dont le niveau d'élimination de l'azote total est NGL La figure 6 illustre les différences de prix en fonction de la capacité de traitement, entre une installation classique (droite A) et une installation selon 20 l'invention (droite B). L'invention peut également s'appliquer à la réhabilitation de station en vue d'un niveau de traitement demandé, plus contraignant (élimination de 25 l'azote total) que lors de la construction de la station d'épuration. Dans ce contexte, l'invention présente un intérêt tout particulier dans le cas de la réhabilitation ou de la construction de stations de capacité de traitement inférieure à 5 000 équivalents habitants, pour 30 lesquelles une élimination de l'azote total est exigée. En effet, dans ce type d'installation, on met généralement en oeuvre des procédés qualifiés de rustique, c'est-à-dire présentant de faibles coûts d'exploitation ll (main d'oeuvre, consommation électrique, minimisation du nombre d'équipements électromécaniques etc..). C'est ainsi que l'invention peut s'appliquer à des 5 installations du type décrit dans FR-B-2 782 508 qui décrit un procédé et une installation de traitement des eaux résiduaires domestiques associant un lit bactérien suivi de cellules ou lits de filtration-compostage plantés de roseaux (désignés par le terme 10 Rhizofiltre ). Dans ce type d'installation, le premier étage constitué par le lit bactérien (ou par des disques biologiques) assure le traitement de la matière carbonée dissoute et 15 colloïdale (DCO, DBO5 et NNH4) et le second étage constitué par les lits de filtration-compostage affine et complète le traitement de la matière dissoute, tout en filtrant les matières particulaires présentes (matières en suspension d'entrée + biomasse lessivée provenant du 20 lit bactérien ou des disques biologiques). Les boues sont ainsi stockées dans des conditions aérobies pendant 5 à 8 ans. De ce fait elles subissent une digestion aérobie ce qui se traduit par un taux de minéralisation supérieur à 40% et donc une réduction d'environ 30% de la masse de 25 boues produites initialement. Dans cette application particulière, l'effluent traité par le réacteur de dénitrification décrit ci-dessus est pompé et alimente, par bâchés le poste de recirculation 30 du lit bactérien. Les lits de filtrationcompostage, plantés de roseaux, sur lesquels s'effectue le traitement de finition sont alimentés à partir d'un trop-plein qui est situé dans le poste de recirculation. Il faut bien entendu que le dimensionnement des volumes d'ouvrages tienne compte du débit de pointe horaire ainsi que du débit maximal admissible par la station. Ainsi 5 qu'on l'a mentionné ci-dessus, on peut prévoir un bassin tampon afin de lisser les débits et les charges. Cette configuration particulière à l'invention n'induit que 10% de surcoût par rapport au prix d'une installation 10 selon FR-B-2 782 508 conçue simplement pour éliminer le carbone et l'azote ammoniacal (nitrification). La mise en oeuvre de l'invention, dans cette application particulière est extrêmement simple, même dans le cas de réhabilitation ou d'extension d'ouvrages notamment en vue 15 d'une augmentation de leur capacité de traitement. Dans le tableau ci-après on a comparé les résultats obtenus respectivement à l'aide d'une installation selon FR-B-2 782 508 (installation A) et d'une station 20 d'épuration (installation B) dans laquelle l'invention est appliquée à l'installation A. INSTALLATION A INSTALLATION B CAPACITE DE TRAITEMENT Population 1000 eH 1000 eH Débit journalier 150 m3/j 150 m3/j Débit moyen 6,25 m3/h 6,25 m3/h DBO5 60 kg/j 60 kg/j DCO 105 kg/j 105 kg/j MES 90 kg/j 90 kg/j NTK 11 kg/j 11 kg/j NIVEAU DE REJET DBO5 35 mg/L 35 mg/L DCO 125 mg/L 125 mg/L MES 25 mg/L 25 mg/L NTK 5 mg/L NGL 15 mg/L CARACTERISTIQUES DES OUVRAGES LIT BACTERIEN Volume 112 m3 112 m3 Surface 24 m2 24 m2 RECIRCULATION Volume 20 m3 20 m3 Débit 60 m3/h 60 m3/h RECEPTION EAUX BRUTES Volume 40 m3 REACTEUR DENITRIFICATION Nombre 0 2 Volume unitaire 6 m3 Volume unitaire de garnissage plastique 5 m3 (150 m2/m3) VIDANGE REACTEUR Volume unitaire 17 m3 Débit 35 m3/h ALIMENTATION DES LITS DE ROSEAUX Volume 22 m3 22 m3 Débit 90 m3/h 90m3/h LIT DE ROSEAUX Surface totale 450 m2 450 m2 Il demeure bien entendu que la présente invention n'est 5 pas limitée aux exemples de réalisation ou d'application décrits et/ou mentionnés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Réacteur de dénitrification à culture fixée sur un support du type plastique organisé, associé à un ouvrage 5 de nitrification et d'élimination de la pollution carbonée, ledit réacteur étant alimenté par un mélange de l'effluent brut à traiter et de l'effluent provenant de l'ouvrage de nitrification et d'élimination de la pollution carbonée, caractérisé en ce qu'il comporte: -deux compartiments de dénitrification (3,4) pourvus d'un garnissage (8) du type plastique organisé, ces compartiments, disposés en parallèle, fonctionnant par bâchées ou charges successives, c'est-à-dire en alternance l'un étant en phase de remplissage 15 (dénitrification et auto- curage de la biomasse en excès) alors que l'autre est en phase de vidange (dénitrification et drainage de la biomasse en excès) ; - un compartiment de vidange (6) recevant l'effluent dénitrifié provenant de l'un ou de l'autre desdits 20 compartiments de dénitrification; - un système d'alimentation du mélange d'effluents constitué d'un bras rotatif (11) alimentant, en surface, alternativement chacun desdits compartiments et; - des moyens (19,21) assurant la recirculation de 25 l'effluent dénitrifié depuis le compartiment de vidange (6) vers l'ouvrage (2) dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce 30 que l'ouvrage (2) dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée est un lit bactérien ou lit à ruissellement. 3. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouvrage (2) dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée est un système de filtration biologique aérobie en flux d'air et d'eau ascendants. 4. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouvrage (2) dédié à la nitrification et à l'élimination de la pollution carbonée est constitué de 10 disques biologiques sur lesquels se fixe la biomasse, ces disques tournant d'un axe horizontal et baignant en partie dans l'effluent à traiter. 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé en ce que le garnissage (8) présente une surface spécifique comprise entre 50 et 200 m2/m3 et de préférence de 150 m2/m3, 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que l'alimentation de l'effluent brut à l'aide dudit bras rotatif (11) s'effectue à partir d'un moyen de distribution (12) recevant le mélange d'effluents à partir d'un déflecteur (14) prévu sous des moyens de reprise du plancher (13) de 25 l'ouvrage (2). 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de recirculation, vers l'ouvrage (2), de l'effluent traité 30 dans ledit réacteur est de l'ordre de 300%. 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prévoit un bassin tampon afin de lisser les débits et les charges. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce qu'il est intégré à une installation de traitement d'effluents comprenant une étape de traitement biologique, notamment sur lit bactérien et une étape d'élimination des matières en suspension et de traitement des boues par filtration10 compostage sur des lits plantés de roseaux, l'effluent dénitrifié dans ledit réacteur (1) étant recirculé dans le lit bactérien.