Brevet FR2924710A1 — publié le 20090612

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EAUX RESIDUAIRES, EN PARTICULIER POUR ELIMINER LE PHOSPHORE. L'invention est relative à un procédé de traitement d'eaux résiduaires notamment urbaines, en particulier pour éliminer le phosphore, par voie biologique en station d'épuration, procédé du genre de ceux qui comportent une étape de traitement anaérobie suivie d'une étape d'aération et d'une clarification, avec recirculation d'une partie des boues de la clarification en ~o amont de l'étape anaérobie. L'invention a pour but, surtout, d'optimiser et de fiabiliser l'assimilation du phosphore par voie biologique pour conduire à une élimination maximale de cet élément dans l'effluent restitué au milieu naturel. Avec la Directive Eaux Résiduaires Urbaines (DERU), puis la 15 Directive Cadre sur l'Eau (DCE) et l'arrêté du 22 juin 2007, en ce qui concerne la France, les installations de traitement des eaux urbaines dans les zones dites sensibles sont ou seront soumises à des arrêtés préfectoraux qui exigent ou exigeront le traitement poussé du phosphore. Deux voies d'élimination de cet élément sont principalement mises 20 en oeuvre, à savoir : la précipitation physico-chimique, et l'assimilation biologique. La limite d'application de l'élimination physico-chimique du phosphore en traitement secondaire est rapidement atteinte s'il faut assurer un rejet avec un phosphore total inférieur à 1 mg/L. Le procédé d'élimination 25 physico-chimique appauvrit le taux de biomasse active dans le système. Pour éviter un tel appauvrissement, il faut généralement prévoir un traitement tertiaire, c'est-à-dire que l'élimination physico-chimique du phosphore a lieu dans un troisième bassin, dépourvu de biomasse, où est introduit le réactif chimique, notamment du chlorure ferrique FeCl3. II y a production de boues 30 minérales qu'il faut ensuite extraire du système. La voie biologique permet de limiter l'utilisation de réactifs chimiques pour l'élimination du phosphore. Cette voie biologique comporte une étape de traitement anaérobie suivie d'une étape d'aération, avec recirculation d'une partie des boues en amont de la zone anaérobie. Actuellement, cette voie 35 biologique ne permet pas toujours de satisfaire à une élimination poussée du phosphore, avec une teneur inférieure à 1 mg/L. L'invention a pour but, surtout, d'améliorer le traitement par voie biologique, notamment pour éliminer le phosphore et assurer un rejet en phosphore inférieur à 1 mg/L, sans entraîner un coût élevé. Il est vraisemblable ou escompté en outre que les boues produites lors du traitement, soient plus faciles à décanter et à déshydrater. Selon l'invention, le procédé de traitement d'eaux résiduaires défini précédemment est caractérisé en ce que, pour augmenter la performance ou l'efficacité de souches bactériennes adaptées à une sur-assimilation du phosphore, on injecte en amont de, ou lors de, l'étape de traitement anaérobie, un produit dopant comprenant un sous-produit ou déchet industriel liquide qui contient une pollution carbonée facilement biodégradable, avec une teneur en ~o carbone exprimée en DBO5 importante, et une teneur suffisamment faible en d'autres composants polluants ou toxiques, pour éviter un effet indésiré ou néfaste sur le traitement et les souches bactériennes. De préférence, le sous-produit industriel liquide injecté comme produit dopant contient une pollution carbonée telle que le rapport DCO/DBO5 1s est inférieur à 1,5, proche de 1 (DCO= demande chimique d'oxygène ; DBO5 = quantité d'oxygène consommé après 5 jours d'incubation). Le sous-produit industriel liquide injecté comme produit dopant présente avantageusement une teneur en carbone, exprimée en DBO5, supérieure à 50 g/l. 20 La teneur en matières en suspension MES du produit dopant est de préférence inférieure à 1g/L. Avantageusement, le sous-produit industriel liquide injecté comme produit dopant est un sous-produit d'industries alimentaires ou vinicoles ou industrie des boissons en général, ou industries laitières. 25 Le sous-produit industriel liquide injecté peut présenter une concentration en AGV (acides gras volatils) supérieure à 1 g/L. Le sous-produit industriel liquide injecté répond de préférence aux exigences suivantes : - teneur en nutriments azotés et phosphorés très faible, voire nulle ; 30 - absence de graisses ou de corps gras, de corps solides étrangers ; - absence totale de polluants organiques tels que les pesticides ou micro-polluants et métaux lourds ; - absence totale de toxiques d'inhibition de la nitrification. L'invention est également relative à une installation pour la mise en 35 oeuvre du procédé défini précédemment, cette installation comprenant un ou des bassin(s) pour un traitement anaérobie suivi d'un ou de bassin(s) pour une étape aérée et d'un ou de clarificateur(s) pour séparer les boues dont une partie est recirculée en amont du bassin anaérobie, et étant caractérisée en ce que, pour augmenter la performance ou l'efficacité de souches bactériennes adaptées à une sur-assimilation du phosphore, elle comporte, en amont du/des, ou dans le/les, bassin(s) de traitement anaérobie, un moyen d'injection d'un produit dopant comprenant un sous-produit industriel liquide qui contient une pollution carbonée facilement biodégradable, avec une teneur en carbone exprimée en DBO5 importante, et une teneur suffisamment faible en d'autres composants polluants ou toxiques, pour éviter un effet indésiré ou néfaste sur le traitement et les souches bactériennes. L'installation peut comporter un système d'asservissement io commandant la dose injectée de produit dopant en fonction de la quantité de phosphore dosée dans l'effluent traité, et/ou en fonction de la quantité mesurée de phosphore relargué dans le bassin pour traitement anaérobie. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus 1s explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma bloc d'une station d'épuration mettant en oeuvre le procédé de l'invention. 20 Fig. 2 est un diagramme illustrant la variation de la teneur en phosphore aux différentes étapes du procédé, en fonction du temps porté en abscisse, selon le procédé de l'invention. Fig. 3 est un diagramme illustrant la variation du phosphore relargué porté en ordonnée, en fonction de la concentration en acides gras volatils 25 (AGV) portée en abscisse. Fig. 4 est un diagramme illustrant les variations de la teneur en phosphore portée en ordonnée en fonction du temps porté en abscisse, dans l'effluent sortant de la station d'épuration. La teneur initiale en phosphore sur le rejet au mois M (avant le début des essais) est de 1,4 mg/L, elle passe à 0,85 30 mg/L au mois M+1 puis à 0,25 mg/L au mois M+2. Fig. 5 est un diagramme comparatif entre plusieurs tests de relargage du phosphore sur-assimilé par les boues sur l'effluent seul ou sur l'effluent + divers produits dopants, la teneur en phosphore étant portée en ordonnée et le temps porté en abscisse. 35 En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir le schéma d'une installation ou station S de traitement d'eaux résiduaires, notamment urbaines, dans laquelle le procédé de l'invention est mis en oeuvre. Dans l'exemple considéré, la station S comprend deux lignes de traitement en parallèle S1, S2 dont les entrées sont branchées, respectivement, sur deux sorties d'un répartiteur 2. Une conduite 1, branchée sur l'entrée du répartiteur 2, amène l'effluent à traiter. La teneur en phosphore de cet effluent peut être de l'ordre de 10mg/L ou plus. Les lignes SI, S2 étant similaires, seule la ligne S1 sera décrite, l'autre ligne S2 s'en déduisant immédiatement. Les références numériques utilisées pour la ligne S1 seront utilisées, suivies de la lettre a, pour désigner des éléments semblables de la ligne S2. La ligne SI comporte, suivant le sens d'écoulement de l'effluent à traiter, une zone de contact 3 (facultative) zone de mélange de l'eau brute avec la boue recirculée venant du clarificateur, un bassin 4 dans lequel a lieu une étape de traitement anaérobie. Ce bassin 4 généralement à ciel ouvert, est équipé d'un moyen d'agitation mais ne comporte pas de moyen d'aération de sorte que les conditions pour un traitement anaérobie sont satisfaites. L'effluent sort du bassin 4 pour être admis dans un bassin d'aération 5 et y subir une étape d'aération. Le bassin 5 comporte généralement des moyens d'agitation (non représentés) de son contenu et, en partie inférieure du bassin, des équipements d'aération (non représentés) pour insuffler de l'air. L'effluent sortant du bassin d'aération 5 est admis dans un clarificateur 6 dans le fond duquel se déposent les boues produites par le traitement. L'effluent traité est évacué en partie haute du clarificateur par une conduite 7. Les boues, qui contiennent le phosphore éliminé de l'effluent, sont évacuées du fond du ou des clarificateur(s) 6 par une canalisation 9. La canalisation 9 assure une recirculation de boues en amont du bassin anaérobie 4 vers la zone de contact 3 si existante ou directement dans le bassin anaérobie 4. Une canalisation 8 est branchée sur la canalisation 9 et assure l'extraction des boues contenant le phosphore éliminé. Une canalisation 10 amène l'effluent dans le bassin 4, ou dans la zone de contact 3 si elle est prévue, depuis le répartiteur 2. L'idée de base du traitement d'eaux résiduaires notamment urbaines, par voie biologique, en particulier pour éliminer le phosphore, repose sur la modification de la nature de l'eau à traiter par apport d'un réactif riche en carbone facilement assimilable, nécessaire à l'instauration du cycle relargage/assimilation du phosphore entre la zone anaérobie 4 et le réacteur aéré 5. Le principe de cette voie biologique d'élimination du phosphore repose sur le mode de fonctionnement de souches bactériennes spécifiquement adaptées à la sur-assimilation du phosphore, appelées PAO (Phosphorus Accumulated Organisms), et naturellement présentes dans le biotope. Ces souches bactériennes ont la caractéristique de relarguer du s phosphore en milieu anaérobie pour le réassimiler ultérieurement en milieu aérobie en quantités plus importantes comme illustré sur Fig. 2. Sur cette Fig. 2 est représentée la variation de la teneur en phosphore (P-PO4) exprimée en mg/L portée en ordonnée, en fonction du temps porté en abscisse, exprimé en heure, respectivement dans la zone anaérobie, située à gauche du diagramme, ~o correspondant au bassin 4 et dans la zone aération, correspondant au bassin 5. La courbe A de relargage du phosphore par les souches PAO a la forme d'un arc, tournant sa concavité vers le bas, qui part d'un niveau LO correspondant à la teneur en phosphore de l'effluent avant relargage. La tangente au point de départ de la courbe A est sensiblement verticale tandis 15 que la tangente au point d'arrivée G est sensiblement horizontale et correspond à une teneur plus élevée L1 en phosphore. La différence L1 û LO correspond à la quantité de phosphore relarguée par les souches PAO. Ce relargage a lieu pendant la phase anaérobie dont la durée peut être d'environ 3 heures ou plus. L'effluent passe ensuite à l'étape aérée 5 au cours de laquelle les 20 souches bactériennes PAO réassimilent, en aérobie, le phosphore en quantités plus importantes. La courbe B illustre ce phénomène auquel correspond une diminution de la teneur en phosphore dans l'effluent. La courbe B débute au point G avec une tangente verticale, en tournant sa concavité vers le haut. La courbe B franchit, dans le sens des teneurs décroissantes en phosphore, le 25 niveau correspondant à L0, puis un niveau inférieur L2 pour arriver, sensiblement tangentiellement à l'horizontale à un niveau L3 inférieur à L2. La différence LO û L2 correspond au phosphore assimilé par les souches bactériennes et la différence L2 û L3 au phosphore sur-assimilé. Le phosphore réabsorbé par les souches correspond à la différence L1-L3. La durée de 30 l'étape 5 d'aération est de l'ordre de 15 heures. Le phosphore est stocké dans les cellules bactériennes sous forme de Poly-P (granules de volutine). La sur-assimilation est directement proportionnelle à la quantité de phosphore relargué, elle-même directement proportionnelle à la quantité de pollution très facilement assimilable (acides 35 gras volatils : AGV) que renferme l'effluent à traiter comme le montre Fig. 3. Sur cette Fig. 3, est représentée le phosphore relargué (exprimé en mg/L) porté en ordonnée, lors de l'étape anaérobie 4, en fonction de l'apport en AGV, dont la concentration exprimée en mg/L est portée en abscisse. La courbe est sensiblement linéaire, croissante, faisant apparaître une augmentation du phosphore relargué en fonction de la concentration en AGV. La sur-assimilation biologique ou déphosphatation biologique, obtenue dans certaines conditions, permet l'élimination très poussée du phosphore dans l'eau traitée. Pour favoriser le fonctionnement des souches bactériennes adaptées à une sur-assimilation du phosphore, selon l'invention, une injection d'un produit dopant comprenant un sous-produit industriel liquide D, qui contient une pollution carbonée facilement biodégradable, avec une teneur en carbone to exprimée en DBO5 importante, et une teneur suffisamment faible en d'autres composants polluants ou toxiques pour éviter un effet néfaste sur le traitement, a lieu en amont de l'étape 4 de traitement anaérobie, Selon le schéma de Fig. 1, l'injection est effectuée au point d'injection 11 dans le répartiteur 2. En variante le point d'injection 11 pourrait se 1s trouver directement dans la zone 4 de traitement anaérobie ou dans la zone de contact 3. Le sous-produit D injecté au point d'injection 11 répond aux exigences suivantes : - sous-produit industriel liquide ; 20 - contenant une pollution carbonée très facilement biodégradable, telle que le rapport DCO/DBO5 soit inférieur à 1,5, avantageusement proche de 1; - avec une teneur en carbone, exprimée en DBO5, importante, supérieure à 50 g/I 25 -avec une teneur en nutriments azotés et phosphorés très faible, voire nulle ; - avec une teneur en matières en suspension (MES) relativement faible (MES inférieure à 1 g/L) pour minimiser la production de boues supplémentaires ; 30 - avec une absence de graisses ou de corps gras, de corps solides étrangers (tels que papier, filasse, plastique, déchets solides divers organiques ou minéraux...) ; - avec une absence totale de polluants organiques tels que les pesticides ou micro-polluants (HAP = hydrocarbures aromatiques polycycliques, 35 hydrocarbures, pesticides), et métaux lourds ; - avec une absence totale de toxiques divers mais plus particulièrement de toxiques d'inhibition de la nitrification (produits chlorés ou chloro-sodés, ammonium quaternaire, thio-urée, aniline, R-isothiocyanates...). Le sous-produit industriel liquide D injecté comme produit dopant est avantageusement un sous-produit d'industries alimentaires ou vinicoles ou Industries des boissons et ou industries laitières. Le sous-produit industriel injecté comme produit dopant est dosé et injecté en mélange avec l'effluent entrant dans le bassin biologique anaérobie 4 pour satisfaire aux exigences sur le phosphore (P-PO4) en sortie, c'est-à-dire dans la conduite 7 commune aux deux lignes S1 et S2. Un exemple de dosage possible est de 1/1000 à 1/10000 en volume. La station d'épuration comporte avantageusement un système io d'asservissement 12 du dosage de produit dopant D en fonction de la teneur en phosphore de l'effluent. Le système 12 comprend une sonde 13 de mesure de la teneur en phosphore dans la conduite de sortie 7. Le résultat de la mesure est transmis à une unité de commande 14. Selon la comparaison du résultat de la mesure et d'une valeur de référence, l'unité de commande 14 modifie, ou 15 non, le débit de produit dopant D injecté. L'unité de commande 14 commande notamment le débit d'une ou plusieurs pompe(s) 16 qui prélève(nt) le produit dopant D stocké dans une cuve 15. L'unité de commande 14 prend en compte le temps de réponse de la station à une modification de la dose au point d'injection 11. 20 En variante, l'asservissement du débit de produit dopant injecté au point d'injection 11 est réalisé en fonction de la quantité mesurée de phosphore relargué dans le bassin 4 de traitement anaérobie. Le résultat de la mesure est fourni à l'unité de commande 14. II est possible en outre, pour cet asservissement, de tenir compte de la teneur en phosphore du rejet dans la 25 conduite de sortie 7, et/ou du phosphore relargué dans le bassin anaérobie 4 au moyen de sonde(s) 13, 13a de mesure de la teneur en phosphore installée(s) respectivement dans la conduite de sortie 7 et/ou dans le(s) bassin(s) anaérobie. L'apport carboné supplémentaire, assuré par l'injection du produit D, 30 a pour effet de rééquilibrer l'effluent global en augmentant le rapport C/N pour conduire à une meilleure élimination de l'azote. En outre un effet secondaire est à escompter conduisant à une régression de la biocénose filamenteuse. Cette régression résulte de la sélection bactérienne : optimisation du taux de croissance des souches non 35 filamenteuses, favorisé par des ratios DCO/MVS élevés (MVS = teneur en matières volatiles). La boue activée résultante sera plus facile à décanter et à déshydrater par amélioration de la structure du floc. Des essais ont été effectués dans une usine d'épuration dont le schéma correspond à celui de Fig. 1. Le produit dopant D était un déchet liquide industriel de boissons périmées à détruire, livré toutes les semaines, dépoté dans deux cuves de stockage telles que 15. Le produit dopant D était injecté par une pompe telle que 16 dans un répartiteur 2. Les résultats obtenus sont portés sur Fig. 4. Avant le démarrage des essais, la teneur en phosphore soluble au rejet était en moyenne de 1,4 mg/L pour le mois M précédant le début de l'injection. Très rapidement, après le démarrage des essais, on a constaté au cours du mois M+1 une baisse de la concentration en phosphore ~o en sortie de la station d'épuration, à une valeur d'environ 0.85 mg/L, malgré une teneur en entrée de la station pratiquement identique. La teneur après 2 mois d'injection est de l'ordre de 0.25 mg/I. Des tests de relargage de phosphore sur-assimilé ont été menés sur les boues activées du bassin aéré 5 avec différents produits : 15 - eau brute de la station (ERU) - acétate pur - eau brute + produit dopant (ERU+ produit dopant) - produit dopant seul. Ces tests sont conduits de la manière suivante : dans un petit 20 récipient, par exemple un becher, on verse un échantillon de boues provenant du bassin 5 et on ajoute l'un des produits mentionnés précédemment. On dose le phosphore relargué par les échantillons prélevés à des instants successifs par intervalles de 60 minutes. Les résultats de ces tests sont illustrés sur Fig. 5. Les points de 25 mesure pour ERU sont représentés par des triangles, ceux pour l'acétate sont représentés par des cercles, ceux pour le produit dopant sont représentés par des losanges et ceux pour (ERU+ produit dopant) sont représentés par des carrés. Ces résultats montrent, par la quantité de phosphore relargué, qu'il y 30 a bien sur-assimilation due à la déphosphatation biologique. L'eau brute sans dopant ne permet pas de faire relarguer la totalité du phosphore stocké dans la boue alimentée avec le mélange eau brute + dopant. L'eau brute semble donc carencée en carbone facilement assimilable. L'essai en présence d'un excès d'acétate montre que la quantité de 35 phosphore relargué est limitée par la quantité de phosphore stocké dans les bactéries. L'invention permet, à coût réduit grâce à l'utilisation d'un sous-produit ou d'un déchet liquide industriel, d'éliminer par voie biologique le phosphore d'eaux résiduaires, notamment urbaines, et d'assurer un rejet avec une teneur en phosphore inférieure à lmg/L. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'eaux résiduaires, en particulier pour éliminer le phosphore, par voie biologique en station d'épuration, comportant une étape de traitement anaérobie suivie d'une étape d'aération et d'une clarification, avec recirculation d'une partie des boues en amont de l'étape anaérobie, caractérisé en ce que, pour favoriser le fonctionnement de souches bactériennes adaptées à une sur-assimilation du phosphore, on injecte (au point d'injection 11) en amont de, ou lors de, l'étape de traitement anaérobie (4), un produit dopant io comprenant un sous-produit ou déchet industriel liquide (D), qui contient une pollution carbonée facilement biodégradable, avec une teneur en carbone exprimée en DB05 importante, et une teneur suffisamment faible en d'autres composants polluants ou toxiques, pour éviter un effet néfaste sur le traitement et les souches bactériennes. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide (D) injecté comme produit dopant contient une pollution carbonée telle que le rapport DCO/DB05 est inférieur à 1,5. 20 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide (D) injecté contient une pollution carbonée telle que le rapport DCO/DB05 est proche de 1. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 25 en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide (D) injecté comme produit dopant présente une teneur en carbone, exprimée en DBO5, supérieure 50 g/l. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide (D) injecté comme produit 30 dopant présente une teneur en matières en suspension MES inférieure à 1g/L. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide injecté comme produit dopant est un sous-produit d'industries alimentaires ou vinicoles ou d'industries 35 des boissons en général, ou d'industries laitières. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide injecté (D) présente uneIl concentration en AGV (acides gras volatils) supérieure à 1 g/L. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-produit ou déchet industriel liquide injecté (D) répond aux 5 exigences suivantes : - teneur en nutriments azotés et phosphorés très faible, voire nulle ; - absence de graisses ou de corps gras, de corps solides étrangers; - absence totale de polluants organiques tels que les pesticides ou micro-polluants et métaux lourds ; ~o - absence totale de toxiques d'inhibition de la nitrification. 9. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ou des bassin(s) (4) pour un traitement anaérobie suivi d'un ou des bassin(s) (5) pour une étape aérée et 15 d'un ou des clarificateur(s) (6) pour séparer les boues dont une partie est recirculée en amont du ou des bassin(s) anaérobie, caractérisée en ce que, pour favoriser le fonctionnement de souches bactériennes adaptées à une sur-assimilation du phosphore, elle comporte, un moyen d'injection (pompe(s) 16 et point d'injection 11) d'un produit dopant comprenant un sous-produit ou déchet 20 industriel liquide (D) qui contient une pollution carbonée facilement biodégradable, avec une teneur en carbone exprimée en DBO5 importante, et une teneur suffisamment faible en d'autres composants polluants ou toxiques, pour éviter un effet néfaste sur le traitement et les souches bactériennes, l'injection ayant lieu dans un répartiteur (2), ou une zone de contact (3) si 25 existante, ou dans le bassin de traitement anaérobie (4). 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un système d'asservissement (12) commandant la dose injectée de produit dopant (D) en fonction de la quantité de phosphore dosée dans l'effluent traité, et/ou en 30 fonction de la quantité mesurée de phosphore relargué dans le bassin pour traitement anaérobie.