TRAITEMENT DES EAUX USEES II-Traitements biologiques
Ayse TOSUN-BAYRAKTAR
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Les phénomènes dans des bassins biologiques de traitements des eaux Traitements secondaires Aérobie Élimination de la pollution carbonée (DCO et DBO5) de 70 à 80 % Culture
bactérienne + Air 1ère zone
Anoxie 2ème zone
C + O2
3ème zone
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 NO3-
Anaérobie
bactéries
→ NO2- →
N2 ↑
Élimination du phosphore : Oxygène étant fini, les bactéries absorbent 30 % du phosphore Traitements tertiaires Pour compléter l’élimination du phosphore on ajoute FeCl3 (catalyseur) donc tout le phosphore est éliminé.2
I) Généralités 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.
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Élimination de la pollution carbonée
La voie aérobie si l’oxygène est associé aux réactions. Le carbone organique se retrouve sous forme de CO2 et de biomasse
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.
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La pollution azotée :
Forme organique Azote Kjeldahl (NTK)
N-Organique
Formes réduites
Forme ammoniacale
Azote global
N-NH4+ Forme azote nitreux N-NO2- (nitrite) Forme azote nitrique N-NO3- (nitrate)
(NGL) Formes oxydées
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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.
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Élimination de l’azote c) Nitrification (par microorganismes aérobies) C’est l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite puis en nitrate
oxydation de NH4+ en NO2- par bactéries nitrosantes (Nitrosomonas)
oxydation de NO2- en NO3- par bactéries nitrifiantes (Nitrobcter)
La réaction globale simplifiée : NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O d) Dénitrification (par microorganismes anaérobies) 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.
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Élimination de l’azote: représentation schématique
Nitrification N- NH4+
NO2-
Dénitrification NO3-
NO2-
N2
Ammonification N- Organique
Azote partant dans les boues (synthèse bactérienne)
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Cette élimination conjointe de l'azote nécessite SOIT la conception de deux bassins séparés dans lesquels sont générées les conditions optimales de chacun :
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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.
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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) absence d’oxygène lié (NO3-) 11
La déphosphatation biologique Principe de la déphosphatation Le
principe
de
la
déphosphatation
biologique
consiste
en
une
accumulation de phosphore dans une biomasse.
Deux types de réaction. Précipitation du phosphore inorganique Les principales causes possibles de la formation de ces précipités seraient une augmentation de pH ou une augmentation de la concentration d’ions précipitants.
Accumulation de phosphore Les bactéries stockent des polyphosphates (poly-P).
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La déphosphatation physico-chimique simultanée La déphosphatation physico-chimique peut avoir lieu soit avec de la chaux, soit avec FeCl3 ou Al2(SO4)3 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.
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Technologies de traitements biologiques
Culture bactérienne libre
Culture bactérienne fixée
- Bassins à boues activées
- Lits bactériennes
- Lagunage
- Lits granulaires - Disques biologiques
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II) Cultures bactériennes aérobies II-1) Cultures libres (Boues activées) :
Stations de traitement par boues activées comprennent: Eau à traiter
• Bassin d’aération – l’eau à
Fourniture d’oxygène
épurer mise en contact avec la masse bactérienne • Clarificateur - séparation Clarificateur
d’eau épurée et la culture bactérienne • Dispositif de recirculation –
Bassin d’aération
une
conc.
en
m.o.
est
nécessaire pour un niveau Extraction des boues en excès
d’épuration recherché
• Dispositif de brassage- pour assurer bon contact entre bactéries et nourriture, éviter les dépôts, favoriser la diffusion de l’oxygène • Dispositif d’extraction
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Paramètre des stations 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)
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 16
DBO5 : Correspond à la quantité de matières organiques biodégradables Matières volatiles en suspension : Représente la fraction organique dite volatile des MES (Matières En Suspension) parce que calcinée à 550°C. Le rapport MVS / MES indiquera l’organicité de l’effluent.
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Charge volumique : CV
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
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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
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C’est le rapport entre la masse de boues présentes dans le réacteur et la masse journalière de boues extraites de la station. B : concentration des boues V : volume de l’installation (y compris la partie du décanteur secondaire contenant des boues) M : biomasse totale en place
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Temps de séjour : Bassin d’aération Temps de contact :
Temps de séjour :
Clarificateur
Vb : volume du bassin d’aération Vcl : volume du clarificateur (décanteur) QEB : débit des eaux brutes QR : débit du recyclage 21
Besoins en oxygène :
Besoins en O2 en kg/J = a’Le + b’Sv + 4,3NN – 2,85c’NDN Synthèse vivante
de
la
matière
(reproduction
par
division cellulaire des microorganismes)
Auto-oxydation
O2 consommée
de leur masse
lors de la
O2 récupéré
moléculaire
nitrification
lors de la dénitrification
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 NN : 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% NDN : flux d’azote à dénitrifier
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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 au taux de recirculation appliqué (fonction du débit d'entrée et du débit de recirculation) :
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