Chap5

MODULE D4.62 EXPLOITATION DES SYSTEMES D’ASSAINISSEMENT Chapitre V : Dimensionnement et Fonctionnement des Procédés de Traitement des Eaux Résiduaires Partie 1 Mme BAYRAKTAR

1

V.I. OBJECTIFS DE TRAITEMENT

Article n°1 de la loi du 16 décembre 1964 La lutte contre la pollution est de satisfaire les exigences : • de l'a l'ali lime ment ntat atio ionn en eau eau potab potable le des des pop popul ulat atio ions ns et et de la la sant santéé pu publ bliq ique ue;; • de l'agr l'agricu icultu lture, re, de de l'indu l'industr strie, ie, des des trans transpor ports ts et de de toutes toutes autr autres es activ activité itéss humaines d'intérêt général; • de la la vie vie biolo biologiq gique ue du du milie milieuu réce récepte pteur, ur, et et spéci spéciale alemen mentt de la la faune faune piscicole, ainsi que des loisirs, des sports nautiques et de la protection des sites.

2

V.I. OBJECTIFS DE TRAITEMENT

Article n°1 de la loi du 16 décembre 1964 La lutte contre la pollution est de satisfaire les exigences : • de l'a l'ali lime ment ntat atio ionn en eau eau potab potable le des des pop popul ulat atio ions ns et et de la la sant santéé pu publ bliq ique ue;; • de l'agr l'agricu icultu lture, re, de de l'indu l'industr strie, ie, des des trans transpor ports ts et de de toutes toutes autr autres es activ activité itéss humaines d'intérêt général; • de la la vie vie biolo biologiq gique ue du du milie milieuu réce récepte pteur, ur, et et spéci spéciale alemen mentt de la la faune faune piscicole, ainsi que des loisirs, des sports nautiques et de la protection des sites.

2

V.1. OBJECTIFS DE TRAITEMENT

Depuis la loi de 1964 jusqu'aux dernières directives (directive «cad «c adre re eau eau»» n° 20 2000 00/6 /60/ 0/CE CE du du 23 octo octobr bree 2000 2000 Obligation de moyens imposant la dépollution

Obligati Obligation on de résultats résultats,, définissant définissant avec avec précision précision les états états à obtenir obtenir sur les milieux.

A l'échéance 2015, l'objectif : attein atteindr dree pour pour les les eaux eaux de surf surface ace corr corresp espond ond à un «bon «bon état état écol écolog ogiq ique ue », c'est c'est-à -à-d -dir iree peu peu élo éloig igné né de dess cond condit itio ions ns non non perturbées, et à un «bon état chimique », qui respecte toutes les normes environnementales. environnementales.

3


A l'échéance 2015, l'objectif : les eaux de surface correspondront

à un «bon état écologique » (peu éloigné des conditions non perturbées), et à un «bon état chimique », qui respecte toutes les normes environnementales.

4

Dé termination termination de la qualit é é de l’eau

Paramètres quantifiant une pollution - les matières organiques et oxydables, regroupant notamment l'oxygène dissous, le taux de saturation en oxygène, le DCO, le DBO5, NH4+ et NTK ; - les matières azotées, regroupant NH4+, NTK et NO2- ; - les nitrates; - les matières phosphorées (Pt et/ou PO43- ) ; - les particules en suspension, regroupant MES, turbidité, transparence; - la couleur; - la température; - la minéralisation; - l'acidification; - les micro-organismes; - la quantification du phytoplancton; - les micro-polluants minéraux (métaux lourds et cyanures) ; - les métaux accumulés dans les tissus des mousses aquatiques; - les pesticides, regroupant notamment l'atrazine, le lindane... ; - les autres micro-polluants organiques, regroupant notamment les hydrocarbures, les solvants, les PCB. .. 5


5 classes de qualité à l'aptitude à satisfaire les fonctions et usages : «bleue » « vert» «jaune» «orange» «rouge »

- très bonne qualité - bonne - passable - mauvaise - très mauvaise

6


Tableau 1 - Classes d'aptitude à la fonction « potentialités biologiques » Paramètres (unité)

Bleu

Vert

Jaune

Orange

Rouge

Oxygène dissous (mg O2/l) Taux de saturation en O2 par % DCO (mg O2/l) DB05 (mg O2/l) NH4+ (mg/l) NTK (mg N/l) NO3- (mg/l) Pt (mg/l) MES (mg/l) Température (°C) pH (mini-maxi)

>8 > 90 < 20 <3 < 0,5 <1 <2 < 0,05 < 25 < 21,5 6,5-8,2

>6 > 70 < 30 <6 < 1,5 <2 < 10 < 0,20 < 80 6-8,5

>4 > 50 < 40 < 10 <4 <4 < 25 < 0,50 < 100 < 25 5,5-9

>3 > 30 < 80 < 25 <8 < 10 < 50 <1 < 150 < 28 4,5-10

-7

Qualit é é des eaux usé es es

Paramètres physico - chimiques ¾

Les matières en suspension (MES)

1 EH = 90 g MES (arrêté du 9 décembre 2004). Production à la source : 20 à 40 g/jour/hab. Mesure en réseau séparatif : 60 à 80 g/jour/hab. ; en réseau unitaire: 70 à 80 g/jour/hab. Teneurs mesurées en période diurne : 100 à 400 mg/l.

8

Qualité des eaux usées

¾

Paramètres physico - chimiques

La demande biochimique en oxygène (DBO5)

1 EH = 60 g DBO5 (directive CEE du 21 mai 1991) ; Production à la source: 30 à 45 g/jour/hab. Mesure en réseau séparatif : 50 à 70 g/jour/hab. ; en réseau unitaire: 70 à 90 g/jour/hab. Teneurs mesurées en période diurne: 250 à 500 mg d'O2/l . . DB05 ad2: DB05 mesurée sur le surnageant d'un échantillon laissé au repos pendant deux heures..

9


¾


La demande chimique en oxygène (DCO)

Pas d'équivalent-habitant défini réglementairement. Production à la source: 45 à 85 g/jour/hab. Mesure en réseau: de 100 à 130 g/jour/hab. Teneurs mesurées en période diurne: 600 à 1 000 mg d'O2/l . .

matières organiques, mais aussi de certains sels (notamment chlorures) la présence de graisses (1 g de graisse équivaut à environ 2,4 g de DCO).

10


¾


Les matières oxydables (MO)

Un seul chiffre pour caractériser la pollution carbonée, en particulier pour fixer les taux de redevance aux agences de l'eau

MO

=

2 DBO . 5

ad 2

+ DCOad 2

3

1 EH = 57 g MO (arrêté du 9 décembre 2004)

11


¾


La conductivité

Une mesure de concentration dépendant, en plus de la pollution, de la qualité de l'eau potable, déjà chargée en sels dissous. Assez bonne relation entre la DCO ad2 et la conductivité. ¾

L’ammonium NH 4+

Pas d'équivalent-habitant défini réglementairement. Teneurs mesurées en période diurne: 45 à 90 mg NH4+/l.

12


¾


L'azote total Kjeldahl (NTK)

1 EH = 15 g NTK (arrêté du 9 décembre 2004). Production à la source: de 8 à 12 g NTK/jour/hab. Teneurs mesurées en période diurne: 50 à 110 mg NTK /l. Production mesurée à l'aval d'un bourg rural: 8 g NTK/jour/hab. ¾

Le phosphore

1 EH = 4 g Pt (phosphore total) (arrêté du 9 décembre 2004). Production à la source : 2 à 4 g Pt/jour/hab. répartis à parts égales entre le phosphore métabolique et le phosphore des produits détergents. Teneurs mesurées en période diurne: 15 à 30 mg Pt/l. 13


¾


Les matières azotées (MA)

Cette valeur représente l'ensemble de l'azote organique. Elle peut être plus ou moins assimilée à l'azote réduit (NTK). . ¾

Les matières grasses

Pas d'équivalent-habitant défini réglementairement. Production à la source : environ 16 à 18 g MEH/hab. jour, soit 15 à 20 g de lipides/hab./jour. Teneurs mesurées: entre 80 et 150 mg de lipides/litre.

14

Qualit Qua litéé des eaux eaux usées usées

¾

Paramètres Paramè tres physi physico co - chimiq chimiques ues

Les matières indésirables

1 EH = 0,2 équitox de matières inhibitrices 1 EH = 0,23 métox 1 EH = 0,05 g d'AOX .

15

Qualit Qua litéé des eau eauxx usées usées

Paramètres microbiologiques

Escherichi Escherichiaa coli, 7,5.104 7,5.104 à 2,4.106/100 2,4.106/100 ml ml Streptocoqu Streptocoques es fécaux fécaux (D), 2,4.105 2,4.105 à 1,1.106/100 1,1.106/100 ml Coliformes Coliformes totaux totaux,, 7,7.105 7,7.105 à 2.108/100 2.108/100 ml

16

V.II. COMPOSANTS DU TRAITEMENT

Une installation de traitement centralisée des eaux résiduaires comporte classiquement la succession de traitements suivants : - Prét Prétra rait item emen ents ts - Traiteme Traitements nts physico physico – chimiques chimiques (traiteme (traitement nt primaire primaire)) - Traite Traitemen ments ts biologiq biologiques ues - Traitement Traitement des boues boues résidua résiduaires ires

17

1-Dégrillage 2-Dessablage, déshuilage 3-Décantation primaire 4-Traitement biologique pour la pollution carbonée 5-Clarification (+ dépollution de phosphate) 6-Traitement de l’azote 7-Epaississement des boues de traitement biologique

8-Digestion anaérobie 9-Epaississement 10-Conditionnement thermique 11-Déshydratation 12-Stockage ; 12a : épandage agricole (bou conformes) ; 12b : centre d’enfouissement technique CET (boues non conforme) 18 13-Stockage du biogaz

V.II.1 Pré traitements ¾

Dégrillage

Les matières volumineuses (flottants etc.) sont retenues à travers de grilles. Effectuée, si possible avant la station de relevage pour protéger les pompes ou vis d’Archimède, et de ne pas gêner le fonctionnement des étapes ultérieur du traitement. -prédégrillage : les barreaux des grilles sont espacés de 30 à 100 mm ; -dégrillage moyen : les barreaux sont espacés de 10 à 30 mm ; -dégrillage fin : les barreaux sont espacés de moins de 10 mm; le dispositif est généralement précédé d'un prédégrillage de protection.

19

V.II.1 Pré traitements

¾

Dégrillage

Verticales ou inclinés de 60 ° 0 80 ° Vitesse moyen admise de passage = 0,6 à 1,4 m/s TYPES DES GRILLES Grilles manuelles Petites installations d’épuration. Le nettoyage s’effectue manuellement. Sur coût d’exploitation.

Grilles mécaniques Fonctionnement automatique par horloge électrique, parfois seul la base d'une élévation de la hauteur d'eau à l'amont.

20


¾

Dégrillage

Grilles mécaniques 1) Les grilles mécaniques à nettoyage par l'amont : Le mécanisme de nettoyage se trouve placé à l'amont du champ de grille. -les grilles courbes adaptés pour les petites et moyennes station d’épuration profondeurs relativement réduites de canal (de 0,50 m à 1,80 m). Le débit à traiter varie de 10 à 5000 m3/h. Le nettoyage est assuré par des peignes

21


¾

Dégrillage

-les grilles droites, fortement relevées sur l'horizontale, même verticales, pour une gamme de débits de 100 à 40 000 m3/h. Le nettoyage est effectué par un dispositif alternatif ou continu (grappins, râteaux, racleurs, brosses), Le système de nettoyage est commandé par crémaillère, par câble ou par chaîne sans fin.

22


¾

Dégrillage

2) Les grilles mécaniques à nettoyage par l‘avant : Le mécanisme de nettoyage se trouve placé à l'aval du champ de grille. Présentent des risques de rechute d'une fraction des résidus récupérés en aval. Le débit à traiter varie de 500 à 30 000 m3/h. Les grilles sont équipées de râteaux-peignes montés sur des chaînes sans fin.

23


¾

Dégrillage

En cas de colmatage accidentel ou de mise hors service de la grille mécanique, ou de panne électrique

? Il faut prévoir un canal de sécurité en by-pass de la grille mécanique, équipé d'une grille manuelle de secours

24


¾

Dégrillage

Pour les eaux résiduaires urbaines, le volume de résidus retenus, (V) exprimé en litres par habitant et par an varie en fonction de l’écartement des barreaux.

V =

120 à 150 e

e = écartement en millimètre

25


¾

Dégrillage

Caractéristiques des résidus retenus ? matières plus ou moins fermentescibles (papiers, chiffons, débris végétaux etc.) ou non fermentescibles (pierres, métaux).

Finalité des résidus retenus ? Incorporés aux ordures ménagères et envoyés en décharge. Ou incinérées après séchage.

26


¾

Tamisage

Pour les effluents industriels chargés en matières en suspension (abattoirs, conserveries, etc.) avant leur traitement ou leur rejet dans le réseau..

Trois principales fonctions : -la récupération de déchets utilisables ; -la protection de canalisations ou de pompes (évitant l’obstruction) ; -la limitation des risques de dépôts et fermentations.

27


-microtamissage : maille entre 30 et 150 µm -macrotamissage : maille supérieure à 250- 300 µm Elimination de la DBO5 peut atteindre 30 % avec une maille suffisamment fine (microtamisage).

On distingue plusieurs types de tamis : tamis fixes, tamis rotatifs tamis filtrants (panneaux amovibles) tamis vibrants

28


Dessablage

Principales fonctions : - éviter les dépôts dans les canalisations induisant leur bouchage ; - protéger les pompes et autres organes mécaniques contre l'abrasion ; - éviter de perturber les autres stades de traitement, en particulier le réacteur biologique ; - réduire la production des boues. Le dessablage concerne les particules minérales de granulométrie supérieure à 100 µm.

29


Dessablage

Les vitesses de sédimentation des particules sphériques sont calculées par les lois de Stockes et de Newton. Un facteur de correction doit être apporté pour des particules non sphériques.

De quoi dépend cette vitesse de sédimentation ? la turbulence du milieu, la vitesse du courant et la température de l'effluent par l'intermédiaire de sa viscosité.

30


Dessablage

Dessableurs à canaux gravitaires

Charge hydraulique = Q/Sh Q : débit traversier Sh : Surface horizontale

31


Dégraissage

Dégraissage avant la mise en réseau se fait dans de boite de dégraissage.

Dans une station d’épuration ? effectué en combinaison avec le dessablage Principe de fonctionnement : -Les sables se déposent dans le fond de bassin d’où ils sont extraits par raclage. Grace à une fine aération les graisses remontent à la surface pour être récupérées. -L’évacuation des graisses s’effectue à l’aide d’un système de raclage poussant les flottants dans une trémie. Les graisses sont ainsi envoyées vers les bacs à graisse ou vers le réacteur de traitement biologique des graisses. 32


Dégraissage

Dégraisseurs combinés avec les dessableurs sont multiples : -dessableur-dégraisseur circulaire (diamètre = 3 à 8 m, profondeur liquide 3 à 5 m équipé d’un aérateur mélangeur immergé) -dessableur-dégraisseur rectangulaire (largeur = 4 à 8 m, profondeur = jusqu’à 4 m, longueur = jusqu’à 30 m avec deux systèmes associés de brassage et d’aération)

33


Traitement biologique des graisses

Les graisses extraites sont utilisées comme substrats organiques (substrat carboné) par les bactéries aérobies. Elles sont donc dégradées en présence d’oxygène. La boue activée crée est envoyée en amont de la filière biologique. Principe de fonctionnement

2 phases successives de dégradation : - l’hydrolyse des graisses en acide gras et glycérol - l’oxydation des acides gras en H20 et CO2.

34


Conditions pour une efficacité des bactéries optimale : un pH correct ~7 (si non ajout de la chaux) un substrat équilibré (si non ajout de substrats phosphorés et azotés )

Les proportions des nutriments : DCO/N/P = 100/5/1

35


Exemple de dimensionnement d’un dégrillage automatique

Une commune envisage l’extension de sa station d’épuration pour une capacité de traitement de 16 000 EH et d’un volume de 2 275 m 3 /jour. La station d’épuration existante est équipée d’un dégrilleur automatique avec espacement des barreaux de 10 mm, ayant les caractéristiques suivantes : Largeur de la grille (l) = 0,6 m Hauteur du canal (h) = 1,2 m Vitesse de passage admise (v) = 0,8 m/s Coefficient de colmatage (c) = 0,5 Le débit maximal à traiter par la station d’épuration est de 520 m 3/h. Vérifier les caractéristiques dimensionnelles du canal existant pour cette nouvelle capacité.

Pour la hauteur d’accumulation au débit maximal on a : h

Calculer le volume de résidus retenus par jour

=

Qmax c×l× v

en sachant que pour 1 mm d’écartement des grilles

V = 150 L/an/habitant. 36


Corrigé = Qmax = 520/3600 = 0,145 m3/s

h=

0,145 = 0,6 m < 1,20 m 0,5 × 0,6 × 0,8

La hauteur d’eau pour le débit maximal est inférieur à la hauteur du canal, nous pouvons donc conserver le canal de dégrillage existant. Volume de résidus : Capacité est pour 16 000 EH et e = 10 mm Donc V = (0,150/365)x16000x10 = 65,75 m3/j

37


Exemple de dimensionnement d’un dégraisseur-dessableur Le débit maximal à traiter par la station d’épuration est de 320 m 3/h. Nous admettons les hypothèses de calcul suivantes : - une charge superficielle de 50 m 3/m2/h (pour le dimensionner les dessableurs) - une vitesse ascensionnelle de 15 m/h (pour le dimensionner les dégraisseurs) - un temps de séjour hydraulique sur le débit de pointe de 10 minutes. Les deux opérations sont réalisées simultanément dans un ouvrage combiné de forme circulaire. Calculer la surface et le volume de cette ouvrage.

38


Corrigé = On peut calculer la surface de 2 méthodes

On peut calculer la surface de 2 méthodes 1- Charge hydraulique = Débit/surface On a donc

Surface = 350/50 = 6,4 m2

2- Surface = débit max/vitesse ascensionnelle On a donc

Surface 320/15 = 21,33 m2

On retient la surface la plus importante des deux opérations. Volume = Débit x temps de séjour = 320 x 10/60 = 53,33 m 3

39

Traitements physico – chimiques (traitement primaire)

- Prétraitements - Traitements physico – chimiques (traitement primaire) - Traitements biologiques - Traitement des boues résiduaires Les procédés de traitement primaire sont physiques, comme la décantation plus ou moins poussée, éventuellement physico-chimiques.

Les déchets ainsi recueillis constituent ce qu'on appelle les «boues primaires ».

40

Dé cantation physique :

La base de ces procédés de séparation solide-liquide est la pesanteur. Terminologie : Décantation pour obtenir la clarification d'une eau brute. Sédimentation pour obtenir une boue concentrée.

41

Décantation physique :

Élimination de la pollution par décantation physique (vitesse ascensionnelle ≤ 2,5 m/h) 42


Technologie :

1) Décanteurs longitudinaux 2) Décanteurs circulaires 3) Décanteurs lamellaires

43


1) Décanteurs longitudinaux Longueur : 40 à 80 m Profondeur : 1,5 à 2 m Écoulement laminaire

Peu répandus en France Pas économiques

La forme correspondant à la meilleure hydraulique donne un rapport de Largeur/Longueur = 1/6 Durée moyen de traversée : 1 à 2 h Si > 3 heures ???????

Risques de fermentation Formation des bulles gazeuses Remontée des boues déposées Donc mauvaise décantation

44


2) Décanteurs circulaires Diamètre : 50 à 60 m L’arrivée de l’effluent se fait par le centre et reparti par les masques (limiteur de débit) La forme circulaire est sensible aux effets du vent Leur construction est relativement économique

1 Arrivée d'eau brute 2 Sortie d'eau décantée 3 Câble électrique 4 Bras racleur de boues 5 Soutirage des boues 6 Bras racleur d'écumes 7 Trémie à écumes 8 Passerelle fixe 45


3) Décanteurs lamellaires Plaques inclinées à 60 ° •L’encombrement est réduit •Le temps de passage est 6 à 20 fois plus court Il faut : • assurer une bonne répartition des effluents dans le décanteur • un tamisage fin en amont

Utilisée dans le traitement tertiaire du phosphore, qui nécessite une étape de coagulation-floculation, afin de réaliser la précipitation du phosphore et l'épaississement des boues.

46


Exemple d’application Paramètres physico-chimiques de l'effluent avant et après décantation lamellaire° Paramètres

Concentration (mg/L)

Abattement

Effluent brut

Effluent décanté

(%)

DCO

500

274

45,3

DBO5

250

141

43,6

MEST

234

53

73,S

NTK

59

49

17,2

N-NH+

39

39

0

Pt

11

10

7.4

Cet ouvrage n’est pas conçu pour éliminer l'azote et le phosphore.

47

Dé cantation physico- chimique : Lorsque la vitesse de décantation naturelle est trop lente pour obtenir une clarification efficace ????

Les processus de coagulation et floculation sont employés L'efficacité est améliorée jusqu'à 10 % Coagulants :

chlorure ferrique sulfate d’alumine 6 < pH < 7,5 Avantages :

• mise en route rapide • insensible aux variations de débit et de qualité des eaux brutes • pas de perturbation par la présence de substances toxiques 48

V.II.3 Traitement des eaux de pluie En réseau séparatif :

Traitement par décantation avant le rejet des eaux de pluies à la sortie des collecteurs. En réseau unitaire :

"bassins d'orage" limitent le déversement dans le milieu naturel, et stockent une partie des eaux durant les précipitations. On peut ensuite, par temps sec, progressivement déstocker ces eaux et les acheminer vers la station d'épuration pour les traiter.

49

V.III Traitement biologiques

Une culture bactérienne est développée (aérobie et anaérobie). Cette culture pour croître assimile la pollution soluble organique et la transforme en suspension Ce développement s’effectue dans des bassins parfaitement mélangés et oxygénés ou non (pour l’étape anaérobie) dans les quels les eaux usées peuvent séjourner de 4 à 24 heures. Les cultures bactériennes parfaitement isolées dans la suspension, seront séparées de l’eau épurée par décantation Elles forment dans les fonds des bassins des boues biologiques.

50

Cette phase de traitement biologique permet l’élimination : de la matière organique (composés carbonés) ¾ des composés azotés (par nitrification – dénitrification) et ¾ des composés phosphorés ¾

51

Les phénomènes dans des bassins biologiques de traitements des eaux Aérobie

Culture bactérienne + Air 1ère zone

Anaérobie

2ème zone

Anaérobie

3ème zone

Traitements secondaires Élimination de la pollution carbonée (DCO et DBO5) de 70 à 80 % bactéries C + O2

CO2

Élimination de l’azote par : 1. Nitrification microorganismes aérobies - oxydation de l’azote organique ou ammoniacal en nitrites par bactéries nitrosantes NH4+ → NO2– oxydation des nitrites en nitrates par bactéries nitrifiantes NO2- → NO3-

2. Dénitrification au milieu anoxie – réduction des nitrates en azote gazeux par microorganismes anaérobies NO3N2 ↑ → NO2- → Élimination du phosphore : Oxygène étant fini, les bactéries absorbent Traitements tertiaires30 % du phosphore Pour compléter l’élimination du phosphore on ajoute FeCl3 (catalyseur) donc tout le phosphore est éliminé.

Élimination de la pollution carbonée le processus biologique utilisé lors des traitements biologique :FERMENTATION

Dégradation de certaines substances organiques, souvent accompagnée de dégagements gazeux sous l’action d’enzymes secrétés par les micro-organismes. si l’oxygène est associé aux réactions. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse La voie aérobie

La voie anaérobie,

si les réactions s’effectuent à l’abri de l’air, en

milieu réducteur. Le carbone organique, après dégradation, se retrouve sous forme de CO2, CH4 et biomasse.

Élimination de la pollution carbonée Oxydation directe de la DBO5

Cette étape s’agit de : - minéralisation de la matière organique (oxydation du glucose en CO2 et H2O) - assimilation d'une fraction de l'azote de Kjeldahl (à hauteur de 5 % de la valeur de la DBO5 assimilée)

-production de biomasse (C5H7NO2).

Élimination de la pollution carbonée Minéralisation de biomasse produite (Oxydation indirecte de la DBO5)

respiration endogène (auto-oxydation) - minéralisation de la matière organique (oxydation du glucose en CO2 et H2O) - assimilation d'une fraction de l'azote de Kjeldahl (à hauteur de 5 % de la valeur de la DBO5 assimilée)

-production de biomasse (C5H7NO2).

Élimination de l’azote La pollution azotée :

Azote Kjeldahl (NTK)

Forme organique N-Organique

Formes réduites

Forme ammoniacale N-NH4+

Forme azote nitreux N-NO2- (nitrite) Forme azote nitrique N-NO3- (nitrate)

Azote global (NGL) Formes oxydées

Élimination de l’azote L'élimination biologique de l'azote fait intervenir 4 réactions principales : a) Ammonification C’est la transformation de l’azote organique en azote ammoniacal. La vitesse d’ammonification dépend essentiellement de la concentration en azote ammoniacal.

b) Assimilation C’est l’utilisation d’une partie de l’azote ammoniacal et éventuellement organique pour la synthèse bactérienne.

Élimination de l’azote c) Nitrification (par microorganismes aérobies) C’est l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite puis en nitrate ¾ ¾

oxydation de NH4+ en NO2- par bactéries nitrosantes (Nitrosomonas) oxydation de NO2- en NO3- par bactéries nitrifiantes

La réaction globale simplifiée : NH4+ + 2O2

→

NO3- + 2H+ + H2O

d) Dénitrification (par microorganismes anoxies) C’est le processus par lequel certaines bactéries réduisent l’azote nitrique à un état plus faible d’oxydation

NO3-

→

NO2-

→

NO

→

N2O

→

N2

Pour la dénitrification les bactéries ont besoin d'un environnement très pauvre en oxygène. L'arrêt des aérateurs ne permet pas à lui seul d'atteindre cet objectif, c'est en fait la surconsommation d'oxygène par les bactéries présentes dans le milieu qui engendre un environnement presque totalement anoxie.

Élimination de l’azote: représentation schématique Nitrification N- NH4+ Ammonification N- Organique

NO2-

Dénitrification NO3-

o n i t a l i m i s s A

NO2-

N2

Azote partant dans les boues (synthèse bactérienne)

Cette élimination conjointe de l'azote nécessite SOIT la conception de deux bassins séparés dans lesquels sont générées les conditions optimales de chacun :

SOIT une l'alternance de phases aérobie/anoxie.

Les phases d'aération sont régulées par deux paramètres dans le bassin d'aération : le potentiel redox la teneur en oxygène Lors de l'arrêt des aérateurs, le temps de consommation de l'oxygène dissous est d'environ 20 minutes, cette période ne fait donc pas partie de la phase d'anaérobie totale.

Caractérisation des boues activées d’un bassin d’aération en fonction de potentiel redox (mV/H2) > 400

Nitrification totale

> 350

Élimination totale du carbone Nitrification importante

< 250

Dénitrification

100

Dénitrification terminée Début de l’anérobiose (interdit pour un bassin d’aération)

< 50

Anaérobiose grave

AEROBIE

ANOXIE

« avec oxygène » 1 mg/l , > 300 mV

« en apnée » 0 mg/l , > 100 mV absence d’oxygène libre (O2) présence d’oxygène lié (NO3-) respiration sur nitrates

ANAEROBIE

« asphyxie » 0 mg/l , < 100 mV absence d’oxygène libre (O2) présence d’oxygène lié (NO3-)

Elimination biologique du phosphore biologique

Principe Le principe de la déphosphoration biologique consiste en une accumulation de phosphore dans une biomasse.

Deux phases - phase anaérobie : des germes aérobies stricts qui, sous l'action du stress anaérobie, libèrent du phosphore dans le milieu -phase aérobie : les mêmes germes aérobies strict réabsorbent le phosphore libéré plus celui présent dans l'eau usée : on parle d'assimilation pléthorique.

La déphosphoration physico-chimique simultanée

La déphosphoration physico-chimique peut avoir lieu soit avec FeCl3 ou Al2(SO4)3 , soit avec de la chaux (Ca(OH)2 La précipitation par la chaux nécessite l'ajout d'un floculant, elle est réalisée à des pH élevés (pH>9); la précipitation par le fer ou l'aluminium entraîne la formation d'un hydroxyde, elle est réalisée à des pH de l'ordre de 5 ou 6.

V.IV Technologies de traitements biologiques

Technologies de traitements biologiques

Culture bactérienne libre -Bassins à boues activées -Lagunage

Culture bactérienne fixée -Lits bactériennes -Lits granulaires -Disques biologiques

V.IV.1 Traitement par les boues activ ées

Stations de traitement par boues activées comprennent:

•Bassin d’aération – l’eau à épurer mise en contact avec la masse bactérienne •Dispositif de brassage- pour assurer bon contact entre bactéries et nourriture, éviter les dépôts, favoriser la diffusion de l’oxygène •Puits de dégazage - permet d'évacuer l'air de la canalisation de liaison avec le clarificateur. •Clarificateur - séparation d’eau épurée et la culture bactérienne. •Dispositif de recirculation et Dispositif d’extraction –une conc. en m.o. est nécessaire pour un niveau d’épuration recherché

CARACTERISTIQUES DU FONCTIONNEMENT Charge volumique : CV (en kg DBO5/m3/j) C’est le rapport entre la masse de nourriture (exprimée généralement en terme de DBO5) entrant journellement dans le réacteur et le volume du réacteur. masse de pollution entrant par jour ( DBO5)/volume du réacteur

Cv

Q [DBO 5 ] quantité de DBO 5 (en kg / jour ) = = V b volume du bas sin d' aération (en m 3 )

CARACTERISTIQUES DU FONCTIONNEMENT

Charge massique : Cm (ou facteur de charge) : C’est le rapport entre la masse de nourriture (exprimée généralement en terme de DBO5) entrant journellement dans le réacteur et la masse de boue contenue dans ce réacteur. masse pollution entrant par jour (en DBO5)/masse boue dans le réacteur (MVS) C m (en kg DBO5/j/kg MVS) =

Q [DBO 5 ] quantité de DBO 5 (en kg / jour ) = V b [MVS] masse des matières organiques (en kgMVS)

Q : débit d’eau brute journalier en m3/j [DBO5] : conc. de l’effluent brut en kg/m3 Vb : Volume du bassin en m3 [MVS]b : concentration des boues dans le bassin d’aération en kg/m3


Age des boues (temps de séjour des bactéries) : La biomasse a tendance à croître Pour la maintenir constante Extraction continue d’un certain pourcentage des boues La biomasse est totalement renouvelée au bout d’un certain nombre de jours appelé : «âge des boues» ou θS (temps de séjour des cellules) quantité de boues en aération/quantités des boues extraites par jour


C’est le rapport entre la masse de boues présentes dans le réacteur et la masse journalière de boues extraites de la station. A

=

B.V ∆ M

∆t

B : concentration des boues V : volume de l’installation (y compris la partie du décanteur secondaire contenant des boues) M : biomasse totale en place

[ MS ]b .V b A = [ MS ]ext .Qext


Temps de séjour : θ S = Temps de contact : θ C =

Temps de séjour :

θ S

=

V b Q EB V b Q EB

Bassin d’aération

+ Q R V cl

Q EB

+ Q R

Vb : volume du bassin d’aération Vcl : volume du clarificateur (décanteur) QEB : débit des eaux brutes Q : débit du recyclage

Clarificateur

CLARIFICATEUR Le taux de recirculation (Tr) Exprimé en % , il permet de contrôler que la recirculation est correctement réglée, c'est à dire que la recirculation de la biomasse est suffisante (pour éviter le lessivage) ou pas trop importante (surcharge au niveau du clarificateur). Il s'agit de maintenir une concentration constante en biomasse dans le bassin. On détermine un taux de recirculation théorique (fonction des MS dans le bassin d'aération et dans le recirculation) :

Puis on détermine le taux de recirculation appliqué (fonction du débit d'entrée et du débit de recirculation) :



Besoins en oxygène :

Besoins en O2 en kg/J = a’Le + b’Sv + 4,3NN – 2,85c’NDN

Synthèse de la matière vivante (reproduction par division cellulaire des microorganismes)

Auto-oxydation O2 consommée de leur masse lors de la moléculaire nitrification

a’ : quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO5 Le : quantité de DBO5 à éliminer en kg/J b’ : quantité d’oxygène à la respiration endogène de 1 kg de MVS de boues par jour Sv : masse de biomasse dans le bassin d’aération en kg de MVS 4,3 : taux de conversion de l’azote réduit en azote nitrique N N : flux d’azote à nitrifier 2,85 : taux de conversion de l’azote nitrique en azote gazeux c’ : fraction de l’oxygène des NO3- récupérée par dénitrification, soit entre 60 et 70% N : flux d’azote à dénitrifi

O2 récupéré lors de la dénitrification


Production spécifique des boues :

La production des boues se quantifie par P (kg MS/j) = 0,8xfluxMES + 0,2fluxDCO s + 0,2fluxNN DCOs ≈ 0,4.DCOT Avec DCOs : DCO soluble DCOT : DCO totale

REGIMES DE FONCTIONNEMENT Les valeurs de ces paramètres définissent le type de charge des usines de dépollution: Paramètres

Aération prolongée

Faible charge

Moyenne charge

Forte charge

Cm (kg DBO5/kg MVS/j)

< 0,1

0,1 à 0,2

0,2 à 0,5

>1

Cv (kg DBO5/m3/j)

< 0,35

0,35 à 0,5

0,5 à 2

>2

MVS (kg/m3)

4-6

3-4

3-4

2-3

Rendement épuratoire en DBO5 (%)

> 95

90 - 97

80 - 90

70 -80

Age des boues (j)

> 15

> 10

2-8

1

24

8 - 24

2-8

1-2

Temps de séjour des effluents (h)

Une installation présentant un faible volume de bassin et recevant beaucoup de pollution est une station à forte charge. Elle est à faible charge dans le cas contraire.

REGIMES DE FONCTIONNEMENT

Aération prolongée ou faible charge : Si la charge d’une station est faible, le volume du bassin est grand et les temps de séjour et de contact sont importants. En conséquence, les phénomènes d’adsorption, d’assimilation et de dégradation de la pollution sont très développés. La charge volumique est indispensable pour dimensionner le bassin d’aération. L’âge des boues élevé permet une nitrification (les bactéries de la nitrification se développent lentement) et une minéralisation des boues presque complète. Ce processus, fréquemment utilisé dans les stations de petite taille, permet donc d'éliminer une grande partie de l'azote, et de minéraliser suffisamment les boues pour éviter une étape de déshydratation. 77


Moyenne ou forte charge : Dans le cas d’installations à forte charge, il y a peu de biomasse épuratrice par rapport à la pollution entrante car le volume du bassin est faible. Cette pollution est seulement collée aux quelques bactéries isolées et est très peu dégradée, car le temps de séjour est faible. Les premières Step étaient à forte et moyenne charge car l’élimination de la seule pollution carbonée était prioritaire. Les nouvelles exigences épuratoires requièrent des performances accrues vis à vis de l’azote et du phosphore. En conséquence, les stations actuellement construites sont à faible charge ou à aération prolongée. 78


QUALITE DES BOUES pour deux types de fonctionnement

Application 1: La capacité d’une usine de dépollution est de 20000 EH. 1°) Calculez le volume du bassin d’aération et le temps de séjour en supposant que la station fonctionne en forte charge. 2°) Même question pour une station fonctionnant en faible charge. Données : On prendra pour les calculs : 1 EH = 200 L/Hab.j et 60 g DBO5/j

Application 2: Une station reçoit une charge à traiter égale à 10 000 Kg DBO5/j et un débit journalier de 37 500 m3/j. 1°) Évaluer la charge équivalente (la concentration en DBO5) journalière reçu par la station 2°) La station fonctionne en aération prolongée et possède deux bassins d’aération identiques fonctionnant en parallèle. Calculer le diamètre d’un bassin d’aération sachant que la hauteur utile du mur d’enceinte est de 3 m. 3°) Calculer la masse de boues biologiques présentent dans les deux bassins. (Cm = 0,07) 4°) Déterminer le temps de séjour dans le bassin d’aération. 80

Application 1: Débit d’eau brute : 1 EH 20000 EH

200 L/j ?

4000 m3/j soit 167 m3/h

1 EH 20000 EH

60 g DBO5/j ?

1200 kg DBO5 /j

Forte charge Cv = 1,5 kg DBO5/j.m3 1,5 kg DBO5/j 1 m3 de bassin 1200 kg DBO5 /j ? TS = VBA/Q = 800/167 = 4,8 h soit 4h47 min Faible charge Cv = 0,3 kg DBO5/j.m3 VBA = 800 m3 TS = 1 jour

VBA = 800 m3

81

Application 2: 1°) 10000/37500 = 0,267 kg DBO5/m3 2°) Aération prolongée Cv = 0,25 kg DBO5/j.m3 VBA total = 10000/0,25 = 40000 m3 Donc volume d’un bassin = 20000 m 3 Donc

3°) D’où 4°) T S = VBA/Q = 40000/(37500/24) = 25h36 min 82

OBSERVATIONS, MESURES ET INTERVENTIONS BASSINS D’AERATION Trois facteurs essentiels conditionnent le bon fonctionnement de l'épuration par cultures libres: • l'oxygène dissous • la concentration • la qualité des boues

OBSERVATIONS, MESURES ET INTERVENTIONS BASSINS D’AERATION

1. L'oxygène dissous (02) Dans un bassin d'aération, le taux d'oxygène dissous doit être compris entre 0 < [02] < 2 mg/l Interprétation des mesures : --teneur teneurd'oxygène d'oxygènetrop tropélevée élevée::dégagement dégagementgazeux gazeux(oxydes (oxydesd’azote) d’azote) Ö Efficacité d’épuration réduite ? Ö Consommation d’énergie excessive - teneur nulle trop long temps : ? Ö la mort de microorganismes aérobies Ö Odeurs Ö Efficacité d’épuration réduite


Réglage du taux d'oxygène dissous On doit tenir en compte Des variations de charges Des variations de climat De la quantité quantité de boues boues présentes présentes dans le bassin Des périodes tarifaires EDF

Exemples Exemples de réglages satisfais satisfaisants ants : temps de d’arrêts d’arrêts journaliers journaliers courts courts


2. Concentration des boues - Les matièr matières es sèch sèches es (MS) (MS) - Les matière matièress volatiles volatiles en suspensio suspensionn (MVS) (MVS) - Indi Indice ce des des bou boues es Ces mesu mesures res aident aident à évalue évaluerr l’effi l’efficac cacité ité de l’épura l’épuratio tionn et la capac capacité ité des boues boues activ activée ée à décante décanterr en clari clarific ficati ation on


MS maximale 7 g/l (aération prolongée) 3 g/l (moyenne charge


MVS correspondent aux matières organiques (mortes ou vivantes) des boues



Interprétation des résultats :


la présence de vorticelles est en général caractéristique de boues "matures" et bien oxygénées. l'observation de nombreux filaments est une explication du phénomène de "bulking" et d'une mauvaise décantation.


IB>200 Mauvais état de la boue pouvant évoluer vers un « bulking » (foisonnement filamenteux) = croissance importante de micro-organismes filamenteux Ö

les boues floconneuses, légères et inaptes à la décantation.

Dans un environnement aéré comportant une forte teneur en carbone assimilable les bactéries floculantes ont une vitesse de croissance nettement plus élevée que les bactéries filamenteuses. On peut donc faire une sélection d'un type de bactérie par :

L'injection de chlore lors de la recirculation car les bactéries filamenteuses sont donc plus sensibles aux oxydants

92


OBSERVATIONS, MESURES ET INTERVENTIONS CLARIFICATEURS Principaux dysfonctionnements dans un clarificateur • Une recirculation déficiente • Une diminution de la limpidité de l'effluent dans le clarificateur • Un défaut de raclage du fond • Les mesures du taux d'ammoniaque et de nitrates dans l'eau clarifiée

OBSERVATIONS, MESURES ET INTERVENTIONS CLARIFICATEURS

1. Réglage de la recirculation

Qrecyclé

≥

Qentré

Recirculation insuffisante Ð

* fermentations et la formation de gaz qui entraîne la remontée de boues * diminution de la limpidité de l'effluent Que faire -Contrôler le débit de la pompe remettre au nominal s'il a diminué (usure, bouchage...) -Si le débit n'a pas varié, augmenter le temps de fonctionnement de la pompe


2. Contrôle de la limpidité de l'eau Limpidité met en évidence de nombreux dysfonctionnements dysfonctionnements du clarificateur : l'eau est limpide en décantation, mais des particules de boues sont entraînées avec les eaux traitées. Les causes peuvent être : - Une surcharge hydraulique du décanteur ; - Une recirculation insuffisante ; - Un mauvais fonctionnement de la pompe de recirculation ; - Une concentration en boues trop forte dans le bassin d'aération


dysfonctionnements du bassin d’aération : l'eau est trouble et la séparation entre les boues et l'eau traitée n'est pas facilement identifiable. Les causes peuvent être : - Une surcharge polluante ; - Une toxicité des effluents ; - Un défaut d'aération du bassin d'aération; - Un "foisonnement" des boues.

Disque de Secchi

Objectif : Déterminer la transparence de l'eau. Principe : Le disque de Secchi est une mesure classique de la transparence de l'eau à la lumière visible. La transparence dépend de la coloration de l'eau et des quantités de matières en suspension provenant du lessivage des sols et de l'activité biologique. Un disque comportant des quadrants blancs et noirs alternés est plongé dans le cours d'eau et on mesure la profondeur à laquelle le disque n'est plus visible. Fabrication d'un disque de Secchi : •Peindre les marques sur le disque selon la figure ci-dessous. Le disque peut être fait de différents matériaux, y compris de bois puisqu'il est lesté. •Fixer un lest sous le disque. •Fixer une cordelette de quelques mètres au centre du disque.

98

Utilisation : •Laisser descendre lentement le disque dans l'eau juste de façon à ce qu'il ne soit plus visible. •Marquer le point correspondant sur la corde (avec un trombone par exemple). •Relever lentement le disque jusqu'à ce qu'il redevienne juste visible. •Marquer ce second point (proche du premier). •Mesurer la profondeur de transparence correspondante en cm à partir de la moyenne des deux points. On considère qu’une profondeur de transparence de 70 cm est une valeur correcte. Les valeurs inférieures montrent un dysfonctionnement.

99


3. Défaut de raclage (clarificateur raclé) Conséquence : Remontée des boues sous forme de paquets noirâtres Que faire * Régler la hauteur du racleur ; Si le phénomène persiste, vidanger le clarificateur et changer la lame de caoutchouc; * Contrôler périodiquement l'état de la roue et du motoréducteur (usure rapide en période froide sur chemin de roulement gelé). Si décanteur non raclé * Racler manuellement les parois

Chap5

Recommend Documents