Brevet FR3132519A1 — publié le 20230811

Procédé de traitement de l’eau usée à faible consommation énergétique L’invention concerne un procédé (1) de traitement d’eau usée, comportant les étapes de : (a) décantation (10) de l’eau usée par adjonction de coagulants et/ou floculants (105) à l’eau usée, délivrant en sortie un effluent primaire (12) et une boue primaire (15), la boue primaire (15) comportant au moins 50% des solides en suspension dans l’eau usée, (b) traitement biologique principal (20) de type « boue activée » de l’effluent primaire (12), comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanées à clarification intégrée, délivrant en sortie un effluent traité (22) et une boue biologique (25), (c) épaississement (70) de la boue primaire (15) et de la boue biologique (25) délivrant en sortie une boue mixte épaissie (72) et un filtrat d’épaississement (75), (d) digestion anaérobique (40) de la boue mixte épaissie (72) délivrant en sortie du biogaz (45) et une boue digérée (42), (e) déshydratation (50) de la boue digérée (42) délivrant en sortie une boue déshydratée (55) et un filtrat de déshydratation (52), et, (f) traitement biologique des retours (60) de type « boue activée » du filtrat de déshydratation (52), comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanée à clarification intégrée délivrant en sortie un effluent traité de filtrat (62) et une boue biologique de filtrat (65). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de traitement de l’eau usée La présente invention concerne les procédés de traitement de l’eau usée. L’eau est oligotrophe par nature. Les eaux usées ne sont plus oligotrophes, elles sont chargées en éléments qui précipitent le phénomène nuisible d’eutrophisation des milieux naturels. Il est donc important de traiter les eaux usées avant de les rejeter dans la nature, notamment par traitement physique, chimique, ou biologique, ou par combinaison de ceux-ci. L’épuration des eaux usées est faite principalement par une étape de traitement biologique. Des micro-organismes contenus dans une boue biologique dégradent la pollution soluble et particulaire, notamment les polluants carbonés et azotés. La boue biologique est ensuite séparée de la phase liquide. Il en résulte d’une part, de l’eau traitée pouvant être rejetée dans l’environnement, ou envoyée vers un traitement tertiaire, et, d’autre part, de la boue biologique dont une partie, riche en micro-organismes, est renvoyée en entrée du bassin biologique et dont l’autre partie est traitée. On distingue dans l’épuration des eaux usées deux filières : d’une part une filière de traitement de l’eau usée et d’autre part une filière de traitement de la boue issue du traitement de l’eau usée. Ces deux filières nécessitent un apport important d’énergie, notamment de par l’étape d’aération du bassin biologique nécessaire à un traitement efficace de l’eau usée dans la filière de traitement de l’eau usée et les étapes d’épaississement dynamique et de déshydratation des boues de la filière de traitement de la boue. Pour l’épuration des effluents d’eau usée, notamment des effluents urbains, un axe important d’amélioration est donc la réduction de la consommation énergétique des filières, ceci afin de réduire l’impact énergétique du traitement de l’eau usée. Il est connu d’intégrer dans la filière de traitement des boues, une étape de digestion anaérobique, permettant la production de biogaz directement sur le site de la station. Le biogaz peut ensuite être utilisé à diverses fins comme source énergétique. Une réutilisation sur site permet de réduire l’impact énergétique de la station. La quantité de biogaz produite dépend notamment de la quantité de pollution carbonée capturée lors d’une première étape de décantation primaire de l’effluent d’eau usée. Cette dernière peut être poussée dans le décanteur, notamment par l’ajout de coagulants et/ou floculants. Cependant, une captation trop importante du carbone lors de la décantation primaire crée un déséquilibre dans le rapport carbone/azote (C/N) qui a pour conséquence une mauvaise élimination de l’azote lors du traitement biologique, ce qui impacte négativement les performances globales de traitement. Un effluent présentant un rapport carbone/azote (C/N) déséquilibré ne peut pas être traité correctement par un procédé de traitement biologique usuel. Certaines méthodes de traitement biologique connues de l’état de l’art permettent de traiter de tels effluents. La demande WO2012019310 divulgue un procédé de traitement de l’eau usée comportant un traitement biologique avec des bactéries appelées Anammox, qui sont capables d’éliminer les polluants d’un effluent ayant un rapport C/N fortement déséquilibré dans un environnement faiblement oxygéné, ce qui permet de réduire sensiblement les coûts d’aération du bassin. Cependant, l’utilisation d’une population spécifique de bactéries telles que les bactéries Anammox rend ce procédé relativement complexe à mettre en place. Il existe un besoin pour perfectionner encore les procédés de traitement des eaux usées, notamment pour bénéficier d’un procédé dont l’impact énergétique global est réduit, voire nul, en particulier un procédé facile à mettre en œuvre, permettant de traiter biologiquement à faible coût tout type d’eau usée urbaine. L’invention vise à répondre à ce besoin, et elle y parvient, selon un premier de ses aspects, grâce à un procédé de traitement des eaux usées, comportant les étapes de : (a) décantation de l’eau usée par adjonction de coagulants et/ou floculants à l’eau usée, délivrant en sortie un effluent primaire et une boue primaire, la boue primaire comportant au moins 50% des solides en suspension de l’eau usée, (b) traitement biologique principal de type « boue activée » de l’effluent primaire, comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanées à clarification intégrée, délivrant en sortie un effluent traité et une boue biologique, (c) épaississement de la boue primaire et de la boue biologique délivrant en sortie une boue mixte épaissie et un filtrat d’épaississement, (d) digestion anaérobique de la boue mixte épaissie délivrant en sortie du biogaz et une boue digérée, (e) déshydratation de la boue digérée délivrant en sortie une boue déshydratée et un filtrat de déshydratation, et, (f) traitement biologique des retours de type « boue activée » du filtrat de déshydratation, comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanée à clarification intégrée délivrant en sortie un effluent traité de filtrat et une boue biologique de filtrat. Par « un procédé de nitrification et dénitrification simultanée », on comprend que la nitrification et la dénitrification, qui ont lieu habituellement de manière séparée, soit par alternance de phases d’aération et d’absence d’aération dans un même bassin, soit dans deux bassins différents ou encore dans deux zones différentes d’un même bassin, ont lieu ici dans un même bassin et dans sensiblement les mêmes conditions, notamment la même concentration d’oxygène dissous. Par « clarification intégrée », on comprend que la clarification est incluse dans une boucle continue dans le temps de circulation hydraulique du traitement biologique de type boue activée, notamment sans reprise par pompage interne de la boue décantée par la clarification. Un tel procédé permet de réduire la consommation énergétique du traitement biologique en réduisant la concentration en oxygène dissous dans le bassin biologique par un procédé de nitrification et dénitrification simultanée, et aussi grâce à une clarification intégrée qui permet de se passer d’une étape de recirculation forcée, notamment par pompage, des boues biologiques, ce qui représente une économie énergétique. En plus de l’économie d’énergie réalisée à l’étape biologique, il permet également de réduire la consommation énergétique globale de la station d’épuration en augmentant la quantité de biogaz produite dans le digesteur par augmentation de la quantité de boues primaires. Un tel procédé permet d’optimiser le volume des ouvrages tout en ayant un traitement simple, efficace et à bilan énergétique et coût réduits. Le fait que le clarificateur soit intégré réduit également l’encombrement du système de traitement. De préférence, la boue primaire comporte au moins 50% des solides en suspension dans les eaux usées, mieux, au moins 70%. Les solides en suspension sont quantifiés selon le paramètre MES (matières en suspension), selon la Norme NFT-90-105, ou ISO 11923 ou équivalent. Ceci permet d’augmenter le volume de boue primaire pour la digestion, ce qui améliore le bilan énergétique global du procédé. De préférence, la boue primaire comporte au moins 20%, mieux, au moins 35%, de la DBO5 (demande biochimique en oxygène pendant 5 jours) de l’eau usée. La DBO5 est évaluée selon la norme NFT-90-103 ou ISO 5815-1 ou équivalent. Les coagulants et/ou floculants peuvent être organiques ou inorganiques, synthétiques ou naturels. De préférence, l’effluent primaire présente un rapport C/N (teneur massique en carbone par rapport à la teneur massique en azote) inférieur ou égal à 12, mieux inférieur ou égal à 10. La teneur massique en carbone est quantifiée par la DCO, exprimée en mg/L d’oxygène (O 2 ), et mesurée selon la norme NFT-90101 ou ISO 15705 ou équivalent. La teneur massique en azote est quantifiée par le NGL (autrement appelé Azote Global), exprimé en mg/L d’azote, somme des teneurs des formes azotées suivantes : nitrites (NO 2 ), mesurées selon la norme NF EN ISO 10304-1 ou équivalent, et nitrates (NO 3 - ), mesurées selon la norme NF EN ISO 10304-1 ou équivalent, azote Kjeldahl (NTK), lui-même correspondant à la somme de l’azote ammoniacal (NH 3 /NH 4 + ) et de l’azote organique contenus dans l’eau, tous deux mesurées selon la norme NF-EN-25663 ou ISO 5663 ou équivalent. Un tel ratio est caractéristique d’un déséquilibre entre le carbone et l’azote qui réduit les performances du traitement de l’effluent primaire pour un traitement biologique usuel avec nitrification et dénitrification séparée et clarification séparée. De préférence, le traitement biologique principal a lieu dans un unique bassin biologique comportant une zone d’aération et une zone de clarification entre lesquelles une liqueur mixte circule en une boucle continue de circulation sans interruption de phase, l’effluent primaire étant introduit dans la liqueur mixte en circulation entre la zone de clarification et la zone d’aération de l’effluent. De préférence, le traitement biologique principal a lieu sans pompage interne de la liqueur mixte ou de la boue biologique entre la zone de clarification et la zone d’aération. En variante, le traitement biologique principal peut avoir lieu avec pompage interne de la liqueur mixte ou de la boue biologique entre la zone de clarification et la zone d’aération, notamment un pompage interne fonctionnant avec un débit sensiblement inférieur au débit entrant d’effluent primaire, de préférence fonctionnant avec un débit inférieur à 50% du débit entrant d’effluent primaire. De préférence, la concentration de la boue biologique dans la zone de clarification est sensiblement homogène dans l’ensemble de ladite zone. De préférence, la concentration de la boue biologique dans la liqueur mixte est homogène et sensiblement identique dans la zone d’aération et dans la zone de clarification. Le traitement biologique principal comporte l’aération en continue de la liqueur mixte dans la zone d’aération. L’aération continue peut-être réalisée par un système d’aération plancher couvrant au moins une partie du fond de la zone d’aération, le système d’aération comportant un réseau de diffuseurs d’air pour aérer la liqueur mixte présente dans la zone d’aération. Les diffuseurs d’air peuvent être repartis uniformément sur au moins une partie du fond du bassin biologique, notamment en lignes espacées régulièrement. De préférence, le bassin biologique comporte les zones successives suivantes : une zone d’entrée de l’effluent primaire, la zone d’aération, notamment comportant le système d’aération, une zone de dégazage, et la zone de clarification, et la liqueur mixte est entrainée en circulation dans lesdites zones successives en boucle hydraulique, sans interruption de phase. De préférence, la concentration de boue biologique (matières solides en suspension (MLSS)) lors du traitement biologique principal, notamment dans la liqueur mixte présente dans le bassin, est supérieure ou égale à 6 000 mg/L, mieux comprise entre 6 000 et 8 000 mg/L. De préférence, la concentration en oxygène moyen dissous dans la liqueur mixte contenue dans la zone d’aération est inférieure à 0,5 mgO 2 /L, mieux entre 0,2 et 0,4 mgO 2 /L, encore mieux entre 0,3 et 0,4 mgO 2 /L. Une telle concentration en oxygène dissous, plus faible que dans les systèmes à nitrification et dénitrification séparées, permet de réduire le besoin énergétique du procédé. De préférence, la clarification est lamellaire. La zone de clarification peut comporter un clarificateur lamellaire. De préférence, le procédé est dépourvu d’une étape de culture préalable des microorganismes. De préférence, le traitement biologique principal est dépourvu d’ajout d’une population bactérienne spécifique, et en particulier le traitement biologique principal est dépourvu de bactérie de type Anammox. De préférence, le traitement biologique principal se fait sans régulation de la température particulière. De préférence, le traitement biologique principal est réalisé dans un dispositif de traitement biologique tel que décrit dans la demande de brevet US 2017/0096354 incorporé ici par référence. De préférence, l’épaississement des boues biologiques et primaires se fait dans une bâche à boues. De préférence, la boue digérée comporte au moins 4% de solides secs en masse. De préférence, l’étape (d) de digestion comporte un circuit d’échange thermique entre la boue digérée et la boue mixte épaissie. Ceci permet de réduire la consommation énergétique de l’ensemble en se servant de la chaleur de la boue digérée pour chauffer la boue épaissie entrante. De préférence, le traitement biologique des retours comporte une ou plusieurs des caractéristiques décrites précédemment en relation avec le traitement biologique principal. De préférence, le traitement biologique des retours est identique au traitement biologique principal. Le filtrat en sortie de la déshydratation peut être envoyé en entrée du traitement biologique principal, le traitement biologique des retours et le traitement biologique principal se faisant alors simultanément dans un même bassin biologique. En variante, le traitement biologique des retours est distinct du traitement biologique principal, notamment a lieu dans un bassin biologique différent de celui du traitement biologique principal. Le traitement biologique des retours peut délivrer en sortie un produit liquide qui est envoyé en entrée du traitement biologique principal. Le traitement biologique des retours peut délivrer en sortie une boue biologique du filtrat qui est mélangée avec la boue biologique issue du traitement biologique principal. De préférence, le procédé comporte une étape de valorisation énergétique d’au moins une partie du biogaz comportant le chauffage de la boue de mixte épaissie et/ou au moins un procédé de conversion de l’énergie, notamment choisi parmi : La purification du biogaz en biométhane pour son utilisation en biocarburant ou en injection dans le réseau de gaz naturel, la cogénération, le séchage des boues déshydratées, et/ou l’incinération des boues déshydratées. De préférence, l’effluent traité en sortie du procédé est conforme à la directive européenne n°91-271 et directive Cadre sur l’Eau n°2000-60, à l’arrêté français du 21 juillet 2015 relatif aux systèmes d'assainissement collectif et aux installations d'assainissement non collectif, à l'exception des installations d'assainissement non collectif recevant une charge brute de pollution organique inférieure ou égale à 1,2 kg/j de DBO5, ce qui le rend apte à être rejeté dans le milieu naturel sans traitement additionnel. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen des dessins annexés, sur lequel : La est un schéma en blocs représentant un exemple de procédé de traitement d’eau usée selon l’invention, La est une vue de dessus partielle et schématique d’un exemple de bassin biologique selon l’invention, La illustre de manière partielle et schématique en coupe le système d’aération en fonctionnement de la , La est une vue en coupe partielle et schématique d’un exemple de clarificateur lamellaire intégré au bassin biologique de la , La est un schéma en blocs représentant une variante du procédé de traitement des eaux usées selon l’invention, La est un schéma en blocs représentant une variante du procédé de traitement des eaux usées selon l’invention, La est un schéma en blocs représentant l’étape de valorisation énergétique du biogaz du traitement des eaux usées selon l’invention. Procédé (1) de traitement des eaux usées, comportant les étapes de : (a) décantation (10) de l’eau usée par adjonction de coagulants et/ou floculants (105) à l’eau usée, délivrant en sortie un effluent primaire (12) et une boue primaire (15), la boue primaire (15) comportant au moins 50% des solides en suspension dans l’eau usée, (b) traitement biologique principal (20) de type « boue activée » de l’effluent primaire (12), comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanées à clarification intégrée, délivrant en sortie un effluent traité (22) et une boue biologique (25), (c) épaississement (70) de la boue primaire (15) et de la boue biologique (25) délivrant en sortie une boue mixte épaissie (72) et un filtrat d’épaississement (75), (d) digestion anaérobique (40) de la boue mixte épaissie (72) délivrant en sortie du biogaz (45) et une boue digérée (42), (e) déshydratation (50) de la boue digérée (42) délivrant en sortie une boue déshydratée (55) et un filtrat de déshydratation (52), et, (f) traitement biologique des retours (60) de type « boue activée » du filtrat de déshydratation (52), comportant la mise en œuvre d’un procédé de nitrification et dénitrification simultanée à clarification intégrée délivrant en sortie un effluent traité de filtrat (62) et une boue biologique de filtrat (65). Procédé selon la revendication 1, dans lequel la boue primaire (12) comporte au moins 50%, mieux, au moins 70%, des solides en suspension dans les eaux usées et/ou au moins 20%, mieux, au moins 35%, de la DBO5 de l’eau usée. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’effluent primaire (15) présente un rapport C/N inférieur ou égal à 12, mieux inférieur ou égal à 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le traitement biologique principal (20) a lieu dans un unique bassin biologique (200) comportant une zone d’aération (230) et une zone de clarification (250) entre lesquelles une liqueur mixte circule en une boucle continue de circulation sans interruption de phase, l’effluent primaire (12) étant introduit dans la liqueur mixte en circulation entre la zone de clarification et la zone d’aération de l’effluent. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le traitement biologique principal (20) a lieu sans pompage interne de la liqueur mixte ou de la boue biologique (25) entre la zone de clarification (250) et la zone d’aération (230). Procédé selon la revendication 4, dans lequel le traitement biologique principal (20) a lieu avec pompage interne de la liqueur mixte ou de la boue biologique (25) entre la zone de clarification (250) et la zone d’aération (230), notamment un pompage interne fonctionnant avec un débit sensiblement inférieur au débit entrant d’effluent primaire, de préférence fonctionnant avec un débit inférieur à 50% du débit entrant d’effluent primaire. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le traitement biologique principal (20) comporte l’aération en continue de la liqueur mixte dans la zone d’aération (230), en particulier par un système d’aération plancher (232) couvrant au moins une partie du fond de la zone d’aération (230) comportant un réseau de diffuseurs d’air (236) pour aérer la liqueur mixte présente dans la zone d’aération (230). Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel la concentration en oxygène moyen dissous dans la liqueur mixte contenue dans la zone d’aération (230) est inférieure à 0,5 mgO 2 /L, mieux entre 0,2 et 0,4 mgO 2 /L, encore mieux entre 0,3 et 0,4 mgO 2 /L . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la concentration de boue biologique lors du traitement biologique principal (20) est supérieure ou égale à 6 000 mg/L, mieux comprise entre 6 000 et 8 000 mg/L. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la clarification intégrée est lamellaire. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le traitement biologique des retours (60) est identique au traitement biologique principal (20), notamment a lieu dans un même bassin biologique (200). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtrat de digestion (52) en sortie de la déshydratation (50) est envoyé en entrée du traitement biologique principal (20). Procédé selon l’une quelconque des revendication 1 à 10, dans lequel le traitement biologique des retours (60) est distinct du traitement biologique principal (20), notamment a lieu dans un bassin biologique (600) différent de celui du traitement biologique principal (20). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape de valorisation énergétique d’au moins une partie du biogaz (80) comportant le chauffage de la boue mixte épaissie (81) et/ou au moins un procédé de conversion de l’énergie, notamment choisie parmi : (i) La purification du biogaz pour son utilisation en biocarburant ou en injection dans le réseau de gaz naturel (844), (ii) La cogénération (840), (iii) Le séchage des boues déshydratées (82), et/ou (iv) L’incinération des boues déshydratées (842). Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes sont configurés de sorte l’effluent traité (22, 62) en sortie du traitement biologique des retours (60) de type « boue activée » du filtrat de déshydratation (52)soit conforme à la directive européenne n°91-271 et directive Cadre sur l’Eau n°2000-60, à l’arrêté français du 21 juillet 2015 relatif aux systèmes d'assainissement collectif et aux installations d'assainissement non collectif, à l'exception des installations d'assainissement non collectif recevant une charge brute de pollution organique inférieure ou égale à 1,2 kg/j de DBO5, ce qui le rend apte à être rejeté dans le milieu naturel sans traitement additionnel.