Brevet FR3025511A1 — publié le 20160311

Procédé d'intensification du traitement des eaux usées par lagunage assurant l'élimination de l'azote et du phosphore La présente invention appartient au domaine du traitement des eaux usées qui sont rejetées, notamment, des infrastructures industrielles, des exploitations agricoles, des zones d'élevages, ou encore, des habitations après un usage domestique. Les stations d'épuration communales, aussi bien que les stations d'épuration annexées à des ensembles industriels, sont souvent saturées et n'arrivent pas à traiter les eaux usées conformément aux exigences des réglementations des pays développés. Une part importante des installations de traitement des eaux usées domestiques comportent un lagunage. Le lagunage met en oeuvre un ensemble de lagunes dans lesquels les eaux transitent en vue de leur assainissement. Les installations qui ont recours au lagunage comme principale étape d'assainissement ne permettent plus de respecter les normes de rejet sur les pollutions azotées et phosphorées. Un tel système de lagunes comporte généralement une lagune de prédécantation et deux, voire trois, lagunes aérées naturellement (photosynthèse des algues). Les lagunes en tant que telles n'ont pas toujours la capacité à dépolluer les eaux de manière suffisante, notamment pour les paramètres azote et phosphore. Pour cette raison, le lagunage a été quelque peu abandonné au profit d'une méthode dite des « boues activées », mettant en oeuvre un bassin d'aération qui fonctionne avec un clarificateur en aval, à partir duquel les boues activées sont réinjectées dans le bassin d'aération. La méthode des boues activées ne 3025511 2 permet pas de réutiliser des lagunes existantes, et de ce fait, n'est pas compatible avec une réhabilitation des stations de lagunage existantes. La présente demande vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur. La présente invention concerne, selon un aspect, une station d'épuration comprenant un premier étage de prétraitement, en entrée de station, comportant un système de dégrillage, un deuxième étage de lagunage comportant une lagune d'aération contenant de la biomasse apte à réaliser l'oxydation des matières organiques, d'amorcer la nitrification et d'assurer la dénitrification, ladite station d'épuration comprend un troisième étage comportant un réacteur aéré de nitrification contenant des supports mobiles à cultures fixées susceptibles de développer un biofilm à leur surface, et un quatrième étage, en sortie de station, comportant un séparateur des phases solide et liquide. Le deuxième étage comprend avantageusement deux lagunes d'aération positionnées en série pour améliorer le traitement par la biomasse. La lagune d'aération est avantageusement une lagune syncopée, c'est-à-dire qu'elle est aérée de manière intermittente pour permettre la dénitrification. Les eaux polluées qui arrivent à la station d'épuration subissent au niveau d'un premier étage un prétraitement par dégrillage pour éliminer les déchets de grosse taille. Dans le cadre de l'invention, le terme dégrillage peut également être utilisé pour désigner les opérations usuellement qualifiées d'opérations de tamisage. La station selon l'invention met en oeuvre avantageusement des lagunes existantes qui sont réutilisées. La capacité de traitement de la matière organique est renforcée, ainsi que la nitrification amorcée par la mise en place de système d'aération. 3025511 3 Le réacteur biologique aéré comporte des supports mobiles développant une culture fixée, lesdits supports mobiles sont avantageusement des objets plastiques maintenus en suspension homogène dans le réacteur. Ces supports ont une grande surface susceptible d'être colonisée par un biofilm à leur surface. Le traitement dans le réacteur permet l'achèvement de la nitrification de la matière azotée effectuée par ailleurs partiellement dans les lagunes. En effet, les lagunes ne peuvent assurer la dénitrification, et la nitrification, que partiellement, et ne suffisent pas pour répondre aux normes sanitaires de plus en plus exigeantes. Un poste de relevage est placé avantageusement en amont du réacteur biologique aéré à supports mobiles développant une culture fixée de sorte à alimenter le réacteur de manière contrôlée. Grâce à la station d'épuration selon l'invention, en sortie de la station d'épuration, on obtient des eaux dont les teneurs en composés organiques (la DCO demande chimique en oxygène), en composés azotés et phosphorés sont comparables à celles obtenues par traitement selon la méthode des boues activées. Avantageusement, le deuxième étage de lagunage de la station d'épuration est positionné en aval du premier étage de prétraitement, le troisième étage comportant ledit réacteur de nitrification est positionné en aval du deuxième étage, et ce réacteur de nitrification comporte une sortie d'évacuation débouchant sur des canalisations prévues pour réinjecter tout ou partie du contenu du réacteur en amont dudit deuxième étage. Ainsi, le réacteur biologique aéré à supports mobiles développant une culture fixée peut être placé en aval d'une station d'épuration existante, dans le cadre d'une réhabilitation de station à lagunage, sans devoir faire trop de modifications de l'existant. En outre, la position de ce réacteur en aval des lagunes, permet d'éviter qu'il ne subisse des chocs hydrauliques 3025511 4 trop importants lorsque le débit des eaux augmente brutalement, comme en période de nappe phréatique haute, par exemple, ou d'un épisode pluvieux. Une telle configuration permet d'obtenir en sortie de réacteur une teneur en azote global inférieure à 25 mg/L. L'azote global ou NGL se définit comme étant la somme de l'azote Kjeldahl total, de l'azote nitreux et de l'azote nitrique. L'azote Kjeldahl, est connu au niveau international comme la détermination de l'azote suivant Kjeldahl, Wilforth et Gunning, et correspond à l'azote organique et ammoniacal. Après le prétraitement, les eaux sont traitées par un lagunage, au niveau du deuxième étage en vue du traitement de la pollution carbonée et du début de la nitrification dans les périodes aérées et en vue de la dénitrification dans les périodes non aérées. Le réacteur biologique aéré à supports mobiles développant une culture fixée, récupère les eaux nitrifiées en amont par le lagunage, et finalise la nitrification, puis réinjecte au moins une partie des eaux dans l'étage de lagunage en vue de l'achèvement du traitement de la pollution azotée mettant en oeuvre le cycle de l'azote. Grâce à un tel ensemble intégrant quatre niveaux (premier, deuxième, troisième et quatrième étages), on peut facilement moderniser les installations de lagunage existantes en améliorant leurs performances en termes d'élimination de la matière organique (DCO), de la matière azotée et éventuellement de la matière phosphorée. En effet, une telle configuration de station d'épuration convient pour la mise en conformité des ouvrages qui comportent des lagunes et ne répondent plus aux normes qui visent une teneur en azote Kjeldahl total ou NTK, inférieure à 10 mg/L d'eau déversée en sortie dans le milieu naturel. Avantageusement, la sortie d'évacuation du réacteur de nitrification débouche sur des canalisations composées de tuyauteries débouchant en amont du deuxième étage. Autrement dit, les eaux en sortie du réacteur de nitrification sont évacuées en amont du deuxième étage. Les inventeurs ont constaté de manière tout à fait inattendue que le fait de 3025511 réinjecter la totalité ou une partie des eaux issues du réacteur de nitrification dans les lagunes permettait d'abaisser considérablement la teneur en azote global ou NGL, laquelle se définit comme étant la somme de l'azote Kjeldahl total, de l'azote nitreux et de l'azote nitrique. Une telle configuration permet d'obtenir en sortie des valeurs de NGL inférieures à 15 mg/L. Le premier étage de prétraitement comprend avantageusement une unité de dessablage et/ou une unité de dégraissage. Le dessablage se fait en générant dans l'eau des mouvements de cyclone de sorte à éliminer les particules de sable par des canalisations situées au fond d'un cône. Le dégraissage se fait par injection d'air pour produire des bulles qui adhèrent aux graisses et en facilitent l'extraction. La station d'épuration selon l'invention comporte avantageusement une lagune de prédécantation positionnée en amont du deuxième étage, dans laquelle les eaux peuvent être acheminées de manière gravitaire. Cette lagune de prédécantation sert au stockage des boues et à leur dénitrification. Une telle lagune de prédécantation permet un apport régulier de boues, lesquelles sont par exemple valorisées par les agriculteurs au cours des épandages. Grâce à la prédécantation on peut faire un curage annuel régulier, plutôt que de le faire tout les cinq à dix ans, comme c'est le cas dans la plupart des stations à lagunage naturel. Un curage régulier permet un apport régulier de boues, et, par suite de mieux gérer les apports en boues en fonction des besoins. Une deuxième lagune de prédécantation peut être disposée en parallèle de façon à pouvoir maintenir en service la station pendant que l'on procède au curage de la première. Le deuxième étage de traitement comprend avantageusement deux lagunes d'aération où les eaux transitent de manière gravitaire. Les lagunes comprennent chacune, avantageusement un à quatre aérateurs. 3025511 6 Avantageusement, chaque aérateur développe une puissance de 1 à 23 kW. L'aération joue un rôle important car elle assure l'oxygénation du milieu dans lequel se trouvent les bactéries responsables du traitement de la pollution carbonée, lesquelles fonctionnent grâce à un apport adéquat en oxygène. Les supports mobiles du réacteur de nitrification ont avantageusement une surface spécifique inférieure à 1200 m2/m3, voire comprise entre 100 et 600 m2/m3. Avantageusement, la surface spécifique est comprise entre 140 et 370 m2/m3. La surface spécifique doit être suffisante pour favoriser le développement bactérien au maximum, mais elle ne doit pas être trop importante pour éviter leur colmatage entraînant une perte d'efficacité des supports. Le réacteur de nitrification, qui peut comprendre deux cuves, a avantageusement un volume unitaire utile de 60 à 350 m3, et le volume total des supports mobiles est de 18 à 210 m3. En entrée du réacteur de nitrification, une injection de sels métalliques, avantageusement de chlorure ferrique, à l'aide de pompes doseuses est avantageusement mise en oeuvre en vue de l'élimination du phosphore par traitement physico-chimique. Les composés phosphorés sont ainsi précipités et piégés dans des boues. Le quatrième étage comprend au moins un des éléments sélectionnés parmi un filtre planté de roseaux, une lagune de décantation, un décanteur, par exemple un décanteur lamellaire, un filtre à sable et un flottateur ou une autre technologie de séparation solide / liquide. Le quatrième étage de la station d'épuration comprend avantageusement un filtre planté de roseaux. Le filtre planté de roseaux filtre la biomasse issue du réacteur de nitrification en amont. Le filtre planté de roseaux permet une ultime séparation de phase avant rejet final. Le filtre planté de roseau permet d'abaisser le taux de matière organique en suspension (ou MES) avec une efficacité optimale. 3025511 7 La présente invention concerne aussi, selon un autre aspect, un procédé de traitement d'eaux polluées comprenant les étapes suivantes : dénitrifier et nitrifier les eaux dans une lagune et nitrifier les eaux dans un réacteur de nitrification contenant des supports mobiles à cultures fixées susceptibles de développer un biofilm à leur surface. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre dont les modes de réalisation et les figures sont uniquement donnés à titre illustratif et ne peuvent nullement être considérés comme limitatifs. Les figures qui illustrent les modes de réalisation sont les suivantes : - la figure 1 représente de manière schématique une partie en amont d'une station d'épuration selon l'invention ; et - la figure 2 représente de manière schématique la partie en aval de la station d'épuration selon l'invention représentée à la figure 1. La présente invention vient améliorer une station existante à lagunage. Les mesures de teneurs en oxygène ont été effectuées par un appareil commercialisé sous la référence ACTEON OPEN XTM par la société PONSEL MESURETM Sur la figure 1 est représentée une partie d'un mode de réalisation de station d'épuration selon l'invention dans laquelle sont acheminées des eaux 1 à assainir. Les eaux transitent dans un premier temps dans un système de dégrillage et/ou de tamisage 2 constitué du dégrilleur AQUATEC® 300 distribué par la société SPFTM, contenant un corps en inox de 304L de volume interne, et qui comporte un canal coupé par au moins une grille comprenant des mailles de 10 mm de diamètre interne. Un tel dégrilleur 2 a un débit de pointe de 100 m3/h. Un by-pass 3 est prévu pour pallier les déficiences du système lorsqu'il se produit un colmatage, ou un défaut inopiné. Le dégrilleur 2 comporte une vis sans fin 3025511 8 dont l'axe de révolution est positionné sur un plan incliné, et, un système pour le compactage et l'ensachage automatique des déchets solides. En sortie du dégrilleur 2, un dispositif d'autosurveillance 4 est installé, il est équipé d'un canal venturi commercialisé par la société ISMATM de type IV et développant un débit de 1.8 à 180 m3/h, d'une sonde ultrason commercialisé par la société PONSEL MESURETM sous la référence ultra A3TM pour la mesure du débit, et d'un préleveur commercialisé par la société PONSEL MESURETM sous la référence ISCO 4700TM Les eaux transitent ensuite de manière gravitaire depuis le canal venturi jusque dans une lagune de prédécantation 5 de 2500 m3 aménagée à partir d'un ouvrage existant, d'une profondeur de 2 à 2,5 m et dont l'autonomie avant vidange est de six mois minimum. Les eaux restent dans cette lagune 5 pendant cinq à six jours. Cette lagune permet un abattement de 30 % de la DCO (demande chimique en oxygène) et de la DBO5 (demande biologique d'oxygène en cinq jours) caractéristiques des matières organiques. Une évacuation annuelle des boues est prévue par épandage. Une deuxième lagune de prédécantation est aménagée, en parallèle de la susdite lagune de prédécantation 5, de sorte à permettre un fonctionnement en alternance desdites deux lagunes de prédécantation pour la continuité de service lorsqu'un curage est effectué. Après passage dans la lagune de prédécantation 5 en service, les eaux sont ensuite acheminées par gravité dans une première lagune d'aération 7 aménagée à partir de la susdite station existante. Cette lagune d'aération 7 a un volume unitaire de 5100 m3, une profondeur de 1 m, une charge volumique de 24 g de DBO5 / m3, et le temps de séjour minimum est de dix jours. La première lagune d'aération 7 comporte quatre aérateurs ayant une puissance unitaire de 2,2 kW. Cette lagune 7 permet un abattement de 50 % de la DCO et de la DBO5. Après passage dans la première lagune d'aération 7, les eaux sont ensuite acheminées par gravité dans une deuxième lagune d'aération 9. Cette lagune d'aération 9 a un volume unitaire de 4600 m3, une 3025511 9 profondeur de 1.5 m, une charge volumique de 13 g de DBO5 / m3, et le temps de séjour minimum est de neuf jours. La deuxième lagune d'aération 9 comporte deux aérateurs, réutilisés à partir de la susdite station existante, ayant une puissance unitaire de 7,5 kW. Cette lagune 9 permet un abattement de 50 % de la DCO et de la DBO5. En sortie de la deuxième lagune d'aération 9, les eaux sont acheminées jusque dans un poste de relevage 11. Le poste de relevage 11 comprend deux pompes 12 et 13 de relevage immergées de 50 m3/h de débit unitaire, et qui comporte chacune un variateur de fréquence. La puissance unitaire des pompes est de 7.4 kW. Le poste de relevage est équipé d'une chambre à vannes avec vannes et clapets. Les eaux sont ensuite acheminées jusque dans un réacteur de nitrification 15 (ou réacteur de nitrification contenant des supports mobiles à cultures fixées susceptibles de développer un biofilm à leur surface). L'étage de nitrification permet de nitrifier l'azote de Kjeldahl et également de finaliser l'abattement de la DCO et de la DBO5 jusqu'à 95 % de l'eau injectée dans le réacteur. Le réacteur 15 est équipé de supports mobiles de 360 m2/m3 de surface spécifique commercialisé par la société 3F GmbH & Co.KGTM sous la référence F1. La charge surfacique appliquée pour le dimensionnement de l'étage de nitrification est de 1.48 g.N/m2/J, le volume total de supports mobiles est de 60 m3 et le temps de séjour minimal prévu pour l'eau à traiter dans le réacteur est de 4 h. Le réacteur comprend deux cuves de 4.2 m de diamètre interne, de 8 m de hauteur et ayant un volume utile de 95 m3 chacune. Chaque cuve comporte un surpresseur sur variateur commercialisé par la société KAESER® sous la référence BB - 52 CTM et présentant les caractéristiques suivantes : - 7,5 kW ; - 120 N.m3/h ; et - 840 mbar à 50 Hz. 302 5 5 1 1 En entrée de réacteur 15, des pompes doseuses 16 permettent d'injecter du chlorure ferrique en vue d'une déphosphoration (principalement élimination des phosphates). En outre, en sortie de réacteur 15, des canalisations (non représentées sur les figures) sont prévues pour réinjecter tout ou partie des eaux traitées par le réacteur dans la lagune de prédécantation 5 , la première lagune d'aération 7 et/ou dans la deuxième lagune d'aération 9. Les eaux sont ensuite évacuées jusque dans un quatrième étage comportant une lagune de décantation 18 pour permettre une séparation de phase. La lagune de décantation 18 a un débit d'alimentation d'au plus 25 m3/h. La lagune de décantation 18 a un volume unitaire de 600 m3, une profondeur de 2 m, et le temps de séjour minimum y est de un jour. La vitesse de décantation est de 0.04 m/h. Les eaux issue de la lagune de finition 18 sont évacuées par gravité et transitent par un dispositif de chasse 19 (qui peut ne pas être présent dans l'installation), en vu de s'écouler dans un filtre planté de roseau 20 dudit quatrième étage. Cette étage qui comprend le dispositif de chasse 19 et le filtre planté de roseau 20 est optionnel, et est installé en fonction des besoins et de la capacité de la station d'épuration. De manière alternative, on peut prévoir que le quatrième étage est constitué de la lagune de décantation 18, ou du filtre planté de roseau 20. Un dispositif d'autosurveillance de sortie 21 est installé en sortie de station avant de déverser les eaux dans le milieu naturel. Le dispositif d'autosurveillance de sortie 21 est équipé d'un canal venturi commercialisé par la société ISMATM de type II et ayant un débit de 0.4 à 43 m3/h, d'une sonde ultrason commercialisé par la société PONSEL MESURETM sous la référence ultra A3TM, et, d'un préleveur commercialisé par la société PONSEL MESURETM sous la référence ISCO 4700TM REVENDICATIONS1. Station d'épuration comprenant un premier étage de prétraitement, en entrée de station, comportant un système de dégrillage (2), un deuxième étage de lagunage comportant une lagune d'aération (7, 9) contenant de la biomasse apte à réaliser l'oxydation des matières organiques, d'amorcer la nitrification et d'assurer la dénitrification, caractérisée en ce que la station d'épuration comprend un troisième étage comportant un réacteur aéré de nitrification (15) contenant des supports mobiles à cultures fixées susceptibles de développer un biofilm à leur surface, et un quatrième étage, en sortie de station, comportant un séparateur des phases solide et liquide. 2. Station d'épuration selon la revendication 1, dans laquelle le deuxième étage de lagunage est positionné en aval du premier étage de prétraitement, le troisième étage comportant le réacteur de nitrification (15) est positionné en aval du deuxième étage, et le réacteur de nitrification (15) comporte une sortie d'évacuation débouchant sur des canalisations prévues pour réinjecter au moins une partie du contenu du réacteur en amont dudit deuxième étage. 3. Station d'épuration selon la revendication 2, ladite sortie d'évacuation du réacteur de nitrification (15) débouche sur des canalisations composées de tuyauteries débouchant en amont du deuxième étage. 4. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier étage de prétraitement comprend au moins une unité sélectionnée parmi une unité de dessablage et une unité de dégraissage. 3025511 12 5. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle une lagune de prédécantation (5) est positionnée en amont du deuxième étage. 6. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le deuxième étage de traitement comprend deux lagunes d'aération (7, 9), comportant chacune de un à quatre aérateurs, développant chacun une puissance de 1 à 23 kW. 7. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle les supports mobiles du réacteur de nitrification ont une surface spécifique inférieure à 1200 m2/m3. 8. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le réacteur de nitrification a un volume unitaire utile de 60 à 350 m3, et en ce que le volume total des supports mobiles est de 18 à 210 m3. 9. Station d'épuration selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle le quatrième étage comprend un des éléments sélectionnés parmi un filtre planté de roseaux (20), une lagune de décantation, un décanteur, par exemple lamellaire, un filtre à sable et un flottateur ou une autre technologie de séparation solide/liquide. 10. Procédé de traitement d'eaux polluées comprenant les étapes suivantes : dénitrifier et nitrifier les eaux dans une lagune (7, 9, 18) et nitrifier les eaux dans un réacteur de nitrification (15) contenant des supports mobiles à cultures fixées susceptibles de développer un biofilm à leur surface.