Amélioration du fonctionnement d'une station d'épuration industrielle par optimisation des oligo-éléments

La société SALUC S.A. est surtout connue pour sa production de billes de billard (leader mondial proposant la marque Aramith). Depuis une dizaine d’années, cette société fabrique en plus d’autres articles, dans la même matière que la bille de billard, ainsi que des sphères dans tous types de matériaux.

La fabrication de billes de billard est une intégration verticale, partant des matières premières élémentaires : phénol, formol, sulfate de baryum… jusqu’au produit vendu au joueur de billard : le jeu complet emballé et documenté.

Il s'agit d’un produit « phare » de très haut de gamme. Cette fabrication s’articule en trois grandes parties :

1. La réalisation de la résine phénolique : polycondensation de phénol et formaldéhyde sous diverses catalyses, densification, colorations, déshydratation sous vide, etc., suivie du durcissement du produit obtenu sous forme d’ébauches.
2. Usinages progressifs des ébauches jusqu’à obtention d’une sphère parfaite au 1/100 mm, suivis d’un polissage pour obtenir la bille brillante que nous connaissons tous.
3. Triage, contrôle de qualité, emballage, expédition.

Les unités de production des autres articles suivent en gros le même schéma.

Seuls les points 1 & 2 engendrent une pollution des eaux.

Pollution et épuration des eaux

La fabrication des résines produit une forte pollution chimique dans un faible débit d'eaux usées : condensats des évaporations sous vide, lavages des gaz de pompes à vide, eaux de nettoyage d'installations, etc. (0,5 à 0,7 m³/h, COD ~ 7 000 à 25 000 mgO₂/l, phénol 1 000 à 6 000 mg/l).

L'usinage des résines engendre une pollution chimique très diluée dans un grand volume, mais une importante pollution physique sous forme de copeaux de résine (~ 40 m³/h contenant 4 à 8 g/l de M.E.S. de 1 à 400 µm, COD ~ 400 mgO₂/l, phénol 30 à 150 mg/l).

L'épuration des eaux s'articule donc autour de ces deux types de pollution.

Les eaux d'usinage seront d’abord débarrassées des M.E.S. en épuration primaire et recirculées via une citerne tampon. Les boues produites sont traitées avec les boues biologiques du circuit secondaire dans une centrifugeuse horizontale en continu.

Une proportion de 1/4 du circuit d'eaux d'usinage sera prélevée pour diluer les eaux polluées issues de la fabrication des résines, qui seront épurées par voie biologique (épuration secondaire).

L'épuration primaire des eaux d'usinage se compose de plusieurs stations de relevage, d'un dégrillage, d'une coagulation au polychlorosulfate d’aluminium, d'une floculation avec un polymère floculant anionique, d'une décantation dans un appareil combiné décanteur/épaississeur et recirculation vers l’usinage via une citerne tampon. Les boues de décantation sont épaissies par une centrifugeuse à axe horizontal Guinard D3LC (figure 1). Celle-ci traite simultanément les boues biologiques issues du traitement secondaire biologique.

L’épuration secondaire (biologique) reprend une partie des eaux du circuit d’épuration primaire pour diluer les distillats (évaporats d’asséchement sous vide des résines), les lavages de gaz de pompes à vide et les eaux de lavages d'installations, d'encuvements et diverses, appelées eaux X. Ce traitement se fait avec des “biodisques”.

Principe des biodisques

Les biodisques appartiennent à la catégorie des réacteurs biologiques aérobies à biomasse fixe (tels les lits bactériens).

Ils sont généralement constitués de disques en matière plastique de 2 à 4 mètres de Ø, de surface lisse ou cannelée, enfilés sur un axe horizontal, formant un cylindre.

Une variante consiste à créer un tambour horizontal en plaçant sur un axe des “quartiers de cylindre” constitués de feuilles de plastique cannelées.

La surface obtenue est considérable et permet au biofilm de s'installer avec des épaisseurs de 2 à 5 mm.

Les disques tournent dans une auge semi-cylindrique alimentée en eaux usées. La rotation n’exige que très peu d’énergie. La vitesse est de 1 à 3 tours/minute ; en fait on ne peut pas dépasser 18 mètres/minute en périphérie, sous peine d’arrachement du biofilm.

L'agitation créée dans l'auge en fait un réacteur à mélange complet, ce qui conduit souvent à utiliser plusieurs étages de biodisques : de 2 à 4 habituellement.

Les tambours de disques sont immergés à environ 40 % dans la liqueur mixte de l’auge. Lorsqu’une partie du disque est immergée, il s'agit de la phase de captation du substrat nutritif par les micro-organismes.

Lorsque cette partie du disque émerge, c’est la phase d’absorption de l’oxygène de l’air par les mêmes micro-organismes. Le transfert d’O₂ pendant l’émersion est très rapide et la provision d’oxygène est toujours suffisante pour couvrir les besoins pendant l’immersion (sauf à très forte charge).

Les parties de biomasses qui se détachent des disques agissent un peu comme des boues activées, mais ces boues sédimentent très bien. Les organismes filamenteux tels les Nocardia n’affectent en rien le fonctionnement de ce système, et prolifèrent facilement.

Les biodisques sont capables de fonctionner à forte charge comme à faible charge (jusqu’à la dénitrification).

Ils ne demandent aucun recyclage (ni boues, ni eaux) ; ce qui en fait un système particulièrement simple à gérer. Il est cependant sensible aux huiles et graisses.

Gestion de cette station d’épuration

Contrairement à ce qui se pratique habituellement, les différents influents ne sont pas mélangés dans un volume “d’égalisation”, mais bien gérés individuellement à l'entrée de l’épuration biologique. Il y a donc pour chaque type d'eau des cuves tampons et des débitmètres pour réguler chaque entrée.

Cette installation particulière nous permet de gérer “à la carte” l'introduction des eaux polluées dans la station.

Un tiers des eaux d’usinage (3 000 V/h peu concentrées) entrent avec toutes les eaux concentrées (500 à 700 V/h) dans un premier biodisque qui travaille à forte charge : Ø 4,25 m, 11 592 m² de surface utile, auge d’environ 40 m³, 200 à 250 kg COD/jour. La charge et le caractère facultatif des organismes épurateurs permettent à cette unité de fonctionner en anaérobie, tout en gardant un rendement particulièrement élevé : > 80 % en COD et > 90 % en phénol.

Les eaux sont ensuite clarifiées dans un petit décanteur cylindro-conique et repartent vers un 2ᵉ et un 3ᵉ étage de biodisques, où l’on ajoute les 2/3 des eaux d’usinage (6 000 V/h), les “centrats” de la centrifugeuse et les surnageants de l’épaississeur des boues biologiques. Ces biodisques fonctionnent en aérobie : Ø 4,25 m, 9 274 et 2 300 m², environ 90 kg COD/jour.

Les eaux passent ensuite dans un clarificateur cylindro-conique avant d’être réoxygénées et rejetées en rivière.

Aucune de nos eaux usées ne contient ni azote ni phosphore ; nous ajoutons donc une solution de nutriments aux biodisques (phosphate diammonique et urée).

Les boues extraites des deux clarificateurs sont concentrées dans un épaississeur classique avant d’être traitées dans la centrifugeuse avec les boues primaires et éliminées.

Les caractéristiques de cette station font que la pollution “présentée” à l’entrée a un caractère inconstant et cyclique. En effet, la semaine toutes les eaux sont présentées et chargées tel qu’expliqué ci-dessus. Cependant, les week-ends et congés, le circuit en recirculation partielle des eaux d’usinage est “épuré” en moins de 12 heures et la citerne tampon contient à ce moment uniquement de l'eau de surface.

Du samedi midi au lundi matin la charge est donc beaucoup plus faible qu’en semaine. D’autre part, le caractère huileux des eaux de lavage gaz et les faibles volumes des cuves tampons nous font cesser leur alimentation pendant les week-ends et jours fériés. Nous diminuons donc l’alimentation des “distillats” (les eaux les plus chargées) en semaine et augmentons leur débit en week-end et jours de congés.

Problématique

Malgré toutes ces “astuces” de gestion nous ne pouvons réguler parfaitement la qualité des eaux de rejets. En effet on assiste régulièrement à une remontée des taux de phénol en cours de semaine (la limite imposée est de 0,2 mg/l). La seule possibilité que nous ayons pour corriger ce problème est d’augmenter le dosage des nutriments (qui sont très faible-

Autorisation de déversement ‑ 27.07.1992

* si les eaux du canal dépassent cette limite la valeur de l’eau du canal devient limite ; A : valeurs à additionner aux valeurs de l’eau du canal ; G : conditions générales ; S : conditions sectorielles ; P : conditions particulières

ment dosés : rapport BOD/N/P 4200/1.5/0.3 soit 1/3 des valeurs communément recommandées).

Cependant la sévérité de notre autorisation de rejet (voir tableau) nous limitant à 10 mg/l de NOₓ nous empêche d'utiliser pleinement cette possibilité : il faut choisir entre un risque de dépassement en phénol ou en nitrates !

La dernière possibilité était d’optimiser les oligo-éléments, en attendant une augmentation de capacité de la station.

Présentation de la société Kemira

Kemira Process Chemicals est une Business Unit du groupe finlandais Kemira Oyj, dont les unités de production en Europe sont installées au Benelux, en France, en Grande-Bretagne, en Espagne et dans les pays scandinaves.

Kemira est notamment producteur d’ammoniac, d’eau ammoniacale, d’acides (nitrique, sulfurique et phosphorique), de polymères, de coagulants... produits utilisés couramment en traitement biologique des eaux résiduaires.

Kemira Oyj est un des leaders européens de la production d’engrais et leader mondial de produits de traitement physico-chimique des eaux.

LiquiKem : principe de fonctionnement

Le traitement biologique des effluents est influencé par divers paramètres liés à la conception de la station et aux micro-organismes. Outre les critères de conception, de dimensionnement et de caractéristiques chimiques de l’eau (pH, température, ...), un critère essentiel au bon fonctionnement d’une station d’épuration biologique est une nutrition microbienne équilibrée.

En s’assurant que l’azote et le phosphore (éléments nutritifs de base) sont présents dans une proportion équilibrée pour les micro-organismes, on optimise le fonctionnement de la station d’épuration biologique. De la même manière, les micro-organismes ont besoin de nombreux oligo-éléments, sous une forme bio-disponible, de façon à respecter l’équilibre optimal pour le développement de la vie microbienne. L’utilité de ces différents nutriments est présentée ci-après. Les éléments disponibles pour les solutions LiquiKem sont les suivants : N, P, K, Ca, Mg, S, Mn, Co, Mo, Ni, Cu, Fe, B, Al, Zn. Ces solutions peuvent être préparées "sur mesure" à la demande de l’utilisateur.

Récemment de nombreuses recherches ont été effectuées au sujet des causes et des solutions éventuelles à la mauvaise sédimentation des boues dans les stations d’épuration aérobies. L’efficacité des stations d’épuration biologique est surtout influencée par la composition microbienne de la boue et par ses caractéristiques. Cette composition microbienne est en équilibre dynamique, dépendant de nombreux paramètres physico-chimiques tels que le pH, la température, les sels présents dans le réacteur, c’est-à-dire qu’en optimisant les conditions dans le réacteur, on favorise un certain type de bactéries. On peut ainsi favoriser la croissance des bactéries utiles (bactéries des flocs et bactéries nitrifiantes) et éviter la formation des bactéries indésirables (bactéries filamenteuses).

• Les bactéries bénéficient de meilleures conditions, et sont donc plus résistantes aux variations de charges polluantes ;
• Il y a une meilleure dénitrification, même aux températures plus basses en hiver ;
• Les flocs bactériens se forment mieux, il y a donc une meilleure sédimentation et une meilleure déshydratation des boues par la suite.

La nutrition microbienne

Les besoins nutritifs courants

L’analyse de la cellule microbienne montre que la cellule est composée à 95 % du poids sec de quelques éléments majeurs : carbone, oxygène, hydrogène, azote, phosphore, potassium, calcium, magnésium et fer. Ceux-ci sont nécessaires aux micro-organismes en quantité importante et sont appelés macro-éléments ou macronutriments. Les six premiers éléments (C, O, H, N, S et P) sont des constituants des glucides, des lipides, des protéines et des acides nucléiques. Les quatre derniers éléments existent dans la cellule à l’état de cations.

En plus des macro-éléments, tous les micro-organismes ont besoin de quelques oligo-éléments : manganèse, zinc, cobalt, molybdène, nickel et cuivre (aussi appelés micro-éléments ou micronutriments).

En plus des macro-éléments et des oligo-éléments habituels, les micro-organismes peuvent avoir aussi des besoins spéciaux qui reflètent la nature particulière de leur morphologie ou de leur environnement.

Essais Saluc

Problématique de Saluc

Comme précisé plus haut, l’optimisation du dosage en oligo-éléments apparaissait comme la solution aux problèmes de rejet de la station d’épuration de Saluc. Le choix s’est porté sur une solution LiquiKem, à cause de la facilité d’emploi et de mise en œuvre du produit (solution sur mesure et prête à l’emploi), par rapport à des essais réalisés précédemment de confection “maison” d’un mélange d’oligo-éléments.

Modalités d’essais et d’analyses

La campagne d’essais s’est déroulée en 2 phases :

1. Analyses préliminaires : destinées à déterminer les caractéristiques et carences des eaux usées, ces analyses portent sur la DCO et les teneurs en azote, phosphore et oligo-éléments. Elles sont réalisées sur un échantillon moyen, le plus représentatif possible de l’alimentation de la station.

   Du fait du système particulier d’arrivée des différents flux, l’échantillon a été dans ce cas-ci reconstitué à partir des flux individuels qui arrivent à la station. Les analyses nous ont permis de constater des carences en N, P, Fe, Zn, Al, B, Mo, Ni, Co. Par contre les eaux sont chargées en cuivre, ce qui est dû à la présence de condenseurs réalisés dans ce métal et encore utilisés dans l’usine. Au vu des résultats d’analyses, deux “recettes” sont mises au point :

   • Une solution “Macro”, contenant l’azote et le phosphore dans les proportions classiques 5/1.
   • Une solution “Micro”, avec les oligo-éléments.

   Les raisons de choisir ces modalités de travail sont doubles :

   • Différences de concentrations et de besoins importantes entre les “Macro” et les “Micro”, et donc volumes de dosage très différents (de 1 à 10).
   • Possibilité de gérer séparément les différents éléments, du fait de la dualité rencontrée jusqu’à présent chez Saluc : choisir entre un risque de teneur en phénol ou de teneur en nitrate trop élevée dans l’effluent.

2. Tests de dosage : la campagne d’essais s’est déroulée sur 3 semaines.

Le dosage de Macro et de Micro s'est effectué uniquement dans le premier étage. Les oligo-éléments sont dilués 20 fois (50 l dans 1 m³) pour satisfaire au débit de la pompe disponible. Les analyses suivantes ont été effectuées :

• Analyses journalières : Phénol influent et effluent.
• Analyses bi-hebdomadaires : DCO influent et effluent.
• Analyses hebdomadaires : DCO, N, P, K et oligoéléments (infl. 1ᵉʳ & 2ᵉ étage & effluent).
• Analyses bi-mensuelles : Oligoéléments dans les boues.

Les paramètres à surveiller plus particulièrement sont bien évidemment la teneur en nitrates en sortie (< 10 mg/l) et l’évolution de la teneur en phénol en sortie (évolue de 0,1 vers 0,2 mg/l et au-delà du lundi au vendredi, sans apport d’oligo-éléments).

Problèmes rencontrés en cours d'essais

Après une semaine, nous nous sommes rendu compte que le dosage des oligo-éléments était supérieur à la prévision (tuyau de la pompe trop gros), cependant, durant la même période, la teneur en DCO de l'influent était le double de celle prévue initialement. Ce qui a eu comme influence de maintenir un taux de phénol constant durant toute la semaine avec une teneur en nitrates inférieure à 4 mg/l. Le dosage est réduit durant le week-end.

Résultats des Essais

Le même constat apparaît lorsque l'on examine les analyses sur le phénol.

Durant toute la période des essais, la teneur en phénol s'est maintenue en dessous de 0,21 mg/l en sortie, malgré des teneurs supérieures à 0,2 mg/l dès le milieu de la semaine pour atteindre 0,3 à 0,4 mg/l en fin de semaine. Cet effet est totalement annihilé lors de l’ajout de LiquiKem (semaines du 6 au 27/03/00).

On constate que la DCO de sortie reste inférieure aux normes exigées (120 mg/l) et ce, malgré une charge durant les essais de l'ordre de 600 kg DCO/j, soit le triple de la charge pour laquelle la station a été dimensionnée. Les valeurs de DCO demeurent supérieures à 600 mg/l en entrée (rendement de 99,5 %). Il est intéressant de rapprocher cette courbe de celle du tableau (3), reprenant les valeurs de phénols de janvier à octobre 2000.

On y voit nettement que les valeurs de sortie

Conclusions

Comme expliqué précédemment, un bon équilibre nutritionnel est indispensable au bon fonctionnement d’une station d’épuration biologique. Si cet équilibre est assuré naturellement dans les eaux résiduaires urbaines, c’est rarement le cas dans des eaux résiduaires industrielles, entraînant soit des rendements inférieurs à ceux escomptés, soit l’apparition d’inhibitions dues à la présence dans les eaux de composés difficilement biodégradables, ou la formation de produits de ce type durant le processus épuratoire. Le concept LiquiKem™ se présente dès lors comme une solution intéressante pour l’amélioration de ces points de fonctionnement grâce à son adaptabilité totale à la station de traitement et à sa facilité de mise en œuvre.