Chap5

1

MODULE D4.62MODULE D4.62EXPLOITATION DES SYSTEMES EXPLOITATION DES SYSTEMES

DD’’ASSAINISSEMENTASSAINISSEMENT

Chapitre VChapitre V : : Dimensionnement et Fonctionnement des Procédés de Traitement des Eaux Résiduaires

Partie 1Partie 1

Mme BAYRAKTARMme BAYRAKTAR

22

V.I. OBJECTIFS DE TRAITEMENTV.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'alimentation en eau potable des populations et de la santé publique;

• de l'agriculture, de l'industrie, des transports et de toutes autres activités humaines d'intérêt général;

• de la vie biologique du milieu récepteur, et spécialement de la faune piscicole, ainsi que des loisirs, des sports nautiques et de la protection des sites.

33

V.1. OBJECTIFS DE TRAITEMENT

Depuis la loi de 1964 jusqu'aux dernières directives (directive «cadre eau» n° 2000/60/CE du 23 octobre 2000

Obligation de moyens imposant la dépollution

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

atteindre pour les eaux de surface correspond à un «bon état écologique », c'est-à-dire peu éloigné des conditions non perturbées, et à un «bon état chimique », qui respecte toutes les normes environnementales.

A l'échéance 2015, l'objectif :

44


les eaux de surface correspondrontA l'échéance 2015, l'objectif :

et à un «bon état chimique », qui respecte toutes les normes environnementales.

à un «bon état écologique »(peu éloigné des conditions non perturbées),

55

DDéétermination de la qualittermination de la qualitéé de lde l’’eaueauParamètres 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 PO4

3- ) ;- 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. ..

66


«bleue » - très bonne qualité« vert» - bonne«jaune» - passable«orange» - mauvaise«rouge » - très mauvaise

5 classes de qualité à l'aptitude à satisfaire les fonctions et usages :

77


Tableau 1 - Classes d'aptitude à la fonction « potentialités biologiques »

Paramètres (unité) Bleu Vert Jaune Orange RougeOxygène dissous (mg O2/l) > 8 > 6 > 4 > 3 -Taux de saturation en O2 par % > 90 > 70 > 50 > 30 -DCO (mg O2/l) < 20 < 30 < 40 < 80 -DB05 (mg O2/l) < 3 < 6 < 10 < 25 -NH4

+ (mg/l) < 0,5 < 1,5 < 4 < 8 -NTK (mg N/l) < 1 < 2 < 4 < 10 -NO3

- (mg/l) < 2 < 10 < 25 < 50 -Pt (mg/l) < 0,05 < 0,20 < 0,50 < 1 -MES (mg/l) < 25 < 80 < 100 < 150 -Température (°C) < 21,5 - < 25 < 28 -pH (mini-maxi) 6,5-8,2 6-8,5 5,5-9 4,5-10 --

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QualitQualitéé des eaux usdes eaux usééesesParamètres physico - chimiques

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.

99

Qualité des eaux usées 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..

1010


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).

1111


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

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

3.2 225 adad DCODBO

MO+

=

1212


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.

L’ammonium NH4+

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

+/l.

1313


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.

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.

1414


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).

.

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.

1515


Les matières indésirables

1 EH = 0,2 équitox de matières inhibitrices1 EH = 0,23 métox1 EH = 0,05 g d'AOX

.

1616

Qualité des eaux usées

Paramètres microbiologiques

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

1717

V.II. COMPOSANTS DU TRAITEMENTV.II. COMPOSANTS DU TRAITEMENT

Une installation de traitement centralisée des eaux résiduaires comporte classiquement la succession de traitements suivants :

- Prétraitements

- Traitements physico – chimiques (traitement primaire)

- Traitements biologiques

- Traitement des boues résiduaires

1818

1-Dégrillage2-Dessablage, déshuilage3-Décantation primaire4-Traitement biologique pour la pollution carbonée5-Clarification (+ dépollution de phosphate)6-Traitement de l’azote7-Epaississement des boues de traitement biologique

8-Digestion anaérobie9-Epaississement10-Conditionnement thermique11-Déshydratation12-Stockage ; 12a : épandage agricole (boueconformes) ; 12b : centre d’enfouissement technique CET (boues non conforme)13-Stockage du biogaz

1919

V.II.1 PrV.II.1 PréétraitementstraitementsDégrillage

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.

2020

V.II.1 PrV.II.1 Préétraitementstraitements Dégrillage

Verticales ou inclinés de 60 ° 0 80 °

TYPES DES GRILLES

Vitesse moyen admise de passage = 0,6 à 1,4 m/s

Grilles manuelles Grilles mécaniques

Petites installations d’épuration. Le nettoyage s’effectue manuellement. Sur coût d’exploitation.

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

2121


Grilles mécaniques1) Les grilles mécaniques à nettoyage par l'amont :

Le mécanisme de nettoyage se trouve placé à l'amont du champ de grille.

-les grilles courbesadaptés 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

2222


-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.

2323


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.

2424


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

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

?

2525


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.

eàV 150120

=

e = écartement en millimètre

2626


Finalité des résidus retenus ?

matières plus ou moins fermentescibles (papiers, chiffons, débris végétaux etc.) ou non fermentescibles (pierres, métaux).

Caractéristiques des résidus retenus ?

Incorporés aux ordures ménagères et envoyés en décharge. Ou incinérées après séchage.

2727

V.II.1 PrV.II.1 Préétraitementstraitements

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.

2828


-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 rotatifstamis filtrants (panneaux amovibles)tamis vibrants

2929


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.

3030


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.

3131


Dessablage

Dessableurs à canaux gravitaires

Charge hydraulique = Q/Sh

Q : débit traversierSh : Surface horizontale

3232


Dégraissage

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

effectué en combinaison avec le dessablage

Dans une station d’épuration ?

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.

3333


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)

3434


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.

Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement

2 phases successives de dégradation :

La boue activée crée est envoyée en amont de la filière biologique.

- l’hydrolyse des graisses en acide gras et glycérol

- l’oxydation des acides gras en H20 et CO2.

3535


Conditions pour une efficacité des bactéries optimale :

Les proportions des nutriments :

DCO/N/P = 100/5/1

un pH correct ~7 (si non ajout de la chaux)

un substrat équilibré (si non ajout de substrats phosphorés et azotés )

3636


Exemple de dimensionnement d’un dégrillage automatique Une commune envisage l’extension de sa station d’épuration pour une capacité de traitement de16 000 EH et d’un volume de 2 275 m3/jour. La station d’épuration existante est équipée d’undégril leur automatique avec espacement des barreaux de 10 mm, ayant les caractéristiquessuivantes : 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 m3/h. Vérifier les caractéristiques dimensionnelles du canal existant pour cette nouvelle capacité. Pour la hauteur d’accumulation au débit maximal on a :

vlcQmax

h××

=

Calculer le volume de résidus retenus par jour en sachant que pour 1 mm d’écartement des grillesV = 150 L/an/habitant.

3737


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

m 1,20 m6,08,06,05,0

0,145h <=××

=

La hauteur d’eau pour le débit maximal est inférieur à la hauteur du canal, nous pouvons doncconserver 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

3838


Exemple de dimensionnement d’un dégraisseur-dessableur Le débit maximal à traiter par la station d’épuration est de 320 m3/h. Nous admettons leshypothèses de calcul suivantes :

- une charge superficielle de 50 m3/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.

3939


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

On a donc Surface 320/15 = 21,33 m2

2- Surface = débit max/vitesse ascensionnelle

On retient la surface la plus importante des deux opérations.

Volume = Débit x temps de séjour = 320 x 10/60 = 53,33 m3

4040

Les procédés de traitement primaire sont physiques, comme la décantation plus ou moins poussée, éventuellement physico-chimiques.

- Prétraitements

- Traitements physico – chimiques (traitement primaire)

- Traitements biologiques

- Traitement des boues résiduaires

Traitements physico Traitements physico –– chimiques (traitement primaire)chimiques (traitement primaire)

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

4141

DDéécantation physique : 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.

4242

Décantation physique :

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

4343

1) Décanteurs longitudinaux2) Décanteurs circulaires3) Décanteurs lamellaires

Technologie :


4444

1) Décanteurs longitudinauxLongueur : 40 à 80 mProfondeur : 1,5 à 2 m Écoulement laminaire


Durée moyen de traversée : 1 à 2 hSi > 3 heures ???????

Risques de fermentation

Formation des bulles gazeuses

Remontée des boues déposées

Peu répandus en FrancePas économiques

La forme correspondant à la meilleure hydraulique donne un rapport de Largeur/Longueur = 1/6

Donc mauvaise décantation

4545

2) Décanteurs circulaires

La forme circulaire est sensible aux effets du vent


Diamètre : 50 à 60 mL’arrivée de l’effluent se fait par le centre et reparti par les masques (limiteur de débit)

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

Leur construction est relativement économique

4646

3) Décanteurs lamellairesPlaques 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.

4747

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.

4848

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

L'efficacité est améliorée jusqu'à 10 %

Coagulants : chlorure ferriquesulfate d’alumine

6 < pH < 7,5

Les processus de coagulation et floculation sont employés

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

4949

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

V.II.3 Traitement des eaux de pluieV.II.3 Traitement des eaux de pluie

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.

50

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.

Elles forment dans les fonds des bassins des boues

biologiques.

Les cultures bactériennes parfaitement isolées dans la suspension,

seront séparées de l’eau épurée par décantation

V.III Traitement biologiquesV.III Traitement biologiques

51

Cette phase de traitement biologique permet l’élimination :

de la matière organique (composés carbonés)

des composés azotés (par nitrification – dénitrification) et

des composés phosphorés

Traitements tertiairesPour compléter l’élimination du phosphore on ajoute FeCl3 (catalyseur) donc tout le phosphore est éliminé.

Aérobie

Culture bactérienne

+

Air

1ère zone

Anaérobie

2ème zone

Anaérobie

3ème zone

Traitements secondairesÉlimination de la pollution carbonée (DCO et DBO5) de 70 à 80 %

bactériesC + O2 CO2

Élimination de l’azote par :1. Nitrification microorganismes aérobies- oxydation de l’azote organique ou ammoniacal en nitrites

par bactéries nitrosantesNH4

+→ 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- → NO2

- → N2 ↑

Élimination du phosphore : Oxygène étant fini, les bactéries absorbent 30 % du phosphore

Les phénomènes dans des bassins biologiques de traitements des eaux

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.

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.


Cette étape s’agit de :

Oxydation directe de la DBO5

- 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).


respiration endogène (auto-oxydation)

Minéralisation de biomasse produite (Oxydation indirecte de la DBO5)

- 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).

La pollution azotée :

Azote Kjeldahl

(NTK)

Forme organique

N-Organique

Forme ammoniacale

N-NH4+

Formes

réduites

Forme azote nitreux N-NO2- (nitrite)

Forme azote nitrique N-NO3- (nitrate)

Formes

oxydées

Azote global

(NGL)

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.


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

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 → N2Pour 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.

N- NH4+ NO2

- NO3-

Nitrification

NO2- N2

Dénitrification

N- Organique

Ammonification

Azote partant dans les boues

(synthèse bactérienne)As

similatio

n

Élimination de l’azote: représentation schématique

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 bassind'aération :

le potentiel redoxla 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 carboneNitrification importante

< 250 Dénitrification

100 Dénitrification terminéeDébut de l’anérobiose (interdit pour un bassin d’aération)

< 50 Anaérobiose grave

AEROBIE

« avec oxygène »1 mg/l , > 300 mV

ANOXIE

« 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.

Technologies de traitements biologiques

Culture bactérienne libre Culture bactérienne fixée

-Bassins à boues activées

-Lagunage

-Lits bactériennes

-Lits granulaires

-Disques biologiques

V.IV Technologies de traitements biologiquesV.IV Technologies de traitements biologiques

V.IV.1 Traitement par les boues activV.IV.1 Traitement par les boues activééeses

Stations de traitement par boues activées comprennent:

•Bassin d’aération – l’eau à épurer mise en contact avec la masse bactérienne

•Clarificateur - séparation d’eau épurée et la culture bactérienne.

•Puits de dégazage - permet d'évacuer l'air de la canalisation de liaison avec le clarificateur.

•Dispositif de recirculation et Dispositif d’extraction –une conc. en m.o. est nécessaire pour un niveau d’épuration recherché

•Dispositif de brassage- pour assurer bon contact entre bactéries et nourriture, éviter les dépôts, favoriser la diffusion de l’oxygène

Charge volumique : CV (en kg DBO5/m3/j)

masse de pollution entrant par jour ( DBO5)/volume du réacteur

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.

CARACTERISTIQUES DU FONCTIONNEMENT

[ ])men(aération'dsinbasduvolume

)jour/kgen(DBOdequantitéVDBOQ

C 35

b

5v ==

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.

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

masse pollution entrant par jour (en DBO5)/masse boue dans le réacteur (MVS)


[ ][ ] )MVSkgen(organiquesmatièresdesmasse

)jour/kgen(DBOdequantitéMVSVDBOQ

MVS)DBO5/j/kg kg(en C 5

b

5m ==

Age des boues (temps de séjour des bactéries) :

quantité de boues en aération/quantités des boues extraites par jour

La biomasse est totalement renouvelée au bout d’un certain

nombre de jours appelé :

«âge des boues» ou θS (temps de séjour des cellules)

La biomasse a tendance à croître

Pour la maintenir constante

Extraction continue d’un certain pourcentage des boues


tMVBA

∆∆

=.

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

extext

bb

QMSVMSA.][.][

=


Vb : volume du bassin d’aération

Vcl : volume du clarificateur (décanteur)

QEB : débit des eaux brutes

QR : débit du recyclage

EB

bS Q

V=θTemps de séjour :

REB

bC QQ

V+

=θTemps de contact :

Temps de séjour : REB

clS QQ

V+

=θ

Bassin d’aération

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) :

CLARIFICATEUR

O2 récupéré

lors de la

dénitrification

O2 consommée

lors de la

nitrification

Synthèse de la matière

vivante (reproduction par

division cellulaire des micro-

organismes)

Auto-oxydation

de leur masse

moléculaire

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

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


Production spécifique des boues :

La production des boues se quantifie par

P (kg MS/j) = 0,8xfluxMES + 0,2fluxDCOs + 0,2fluxNN

DCOs ≈ 0,4.DCOT

Avec

DCOs : DCO soluble

DCOT : DCO totale


REGIMES DE FONCTIONNEMENT

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.

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

Temps de séjour des effluents (h) 24 8 - 24 2 - 8 1 - 2

77

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.

Si la charge d’une station est faible, le volume du bassin est grandet 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.

Aération prolongée ou faible charge :


78

Dans le cas d’installations à forte charge, il y a peu de biomasseépuratrice 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.

Moyenne ou forte charge :

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 àaération prolongée.



QUALITE DES BOUES pour deux types de fonctionnement

80

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 1:

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 station2°) 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.

Application 2:

81

Débit d’eau brute :

1 EH 200 L/j 20000 EH ? 4000 m3/j soit 167 m3/h

1 EH 60 g DBO5/j 20000 EH ? 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 ? VBA = 800 m3

TS = VBA/Q = 800/167 = 4,8 h soit 4h47 minFaible charge Cv = 0,3 kg DBO5/j.m3

VBA = 800 m3

TS = 1 jour

Application 1:

82

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 m3

Donc

Application 2:

3°)

D’où

4°) TS = VBA/Q = 40000/(37500/24) = 25h36 min

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



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 d'oxygène trop élevée : dégagement gazeux (oxydes d’azote)?

- teneur nulle trop long temps :?

- teneur d'oxygène trop élevée : dégagement gazeux (oxydes d’azote)Efficacité d’épuration réduiteConsommation d’énergie excessive

- teneur nulle trop long temps :la mort de microorganismes aérobiesOdeursEfficacité d’épuration réduite



Réglage du taux d'oxygène dissousOn doit tenir en compte

Des variations de charges Des variations de climat De la quantité de boues présentes dans le bassinDes périodes tarifaires EDF

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



2. Concentration des boues- Les matières sèches (MS)- Les matières volatiles en suspension (MVS)- Indice des boues

Ces mesures aident à évaluerl’efficacité de l’épuration etla capacité des boues activée à décanter en clarification



MS maximale7 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.

92

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

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




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


CLARIFICATEURS

1. Réglage de la recirculationQrecyclé ≥ Qentré

Recirculation insuffisante

* 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


CLARIFICATEURS

2. Contrôle de la limpidité de l'eauLimpidité met en évidence de nombreux dysfonctionnements

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 clarificateur :

l'eau est limpide en décantation, mais des particules de boues sont entraînées avec les eaux traitées.


CLARIFICATEURS

Les causes peuvent être :

- Une surcharge polluante ;- Une toxicité des effluents ;- Un défaut d'aération du bassin d'aération;- Un "foisonnement" des boues.

dysfonctionnements du bassin d’aération :

l'eau est trouble et

la séparation entre les boues et l'eau traitée n'est pas facilement identifiable.

98

Disque de SecchiObjectif : 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 àlaquelle 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.

99

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.


CLARIFICATEURS

3. Défaut de raclage (clarificateur raclé)

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).

Conséquence :

Remontée des boues sous forme de paquets noirâtres

Si décanteur non raclé

* Racler manuellement les parois


CLARIFICATEURS

4. Ammoniaque (NH4+) et nitrate (NO3

-) dans l’eau rejetée

Mauvaise gestion de aération/non aération

Réglage d’aération se fait en fonction des tests d’ammoniaque et nitrates

Raison : ?

-Zone 1, le NH4

+ n'est pas traité (car sous-oxygénation)dégagement de mauvaises odeurs.-Zone 2 correspond à l'optimum de fonctionnement.- Zone 3, sur-oxygénation donc gaspillage d'énergieet risque de dysfonctionnements.

Chap5

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