Deux ans d'exploitation des biofiltres pour l'élimination de l'azote

L’usine d’épuration de Hundested au Danemark est décrite, qui traite 2 000 m³/j avec le procédé Biocarbone jusqu’à des résiduels de moins de 8 mg NGL/l, en mettant en série biofiltres dénitrifiants et aérés. Le nouveau procédé Biostyr permet d’intégrer les zones anoxiques et aérées dans un seul réacteur. Les résultats du prototype de Rambouillet (Yvelines) montrent qu’en outre, une précipitation simultanée est possible sur le même biofiltre.

Deux années d’exploitation sont synthétisées sur la première usine utilisant ce procédé à Saint-Jean-d’Illac (Gironde). Malgré des charges proches ou supérieures au nominal, on obtient un résiduel en conformité avec le rendement d’élimination de 70 % exigé par la norme européenne. Les caractéristiques de la grande station d’épuration de Cergy, en région parisienne, sont également données, en incluant les premiers mois d’exploitation.

Les nouvelles directives européennes sur les eaux usées (DEUS), instaurées en mai 1991, exigent un traitement poussé, incluant l’élimination de l’azote et du phosphore, des effluents urbains en zone sensible [1]. Ce terme inclut tout milieu récepteur exposé à l’eutrophisation ou utilisé pour l’extraction d’eau potable. Les pays nordiques ont également réduit leurs rejets de matières nutritives dans les zones marines fermées telles que la mer Baltique ou la mer du Nord. Ainsi, des pays entiers comme le Danemark, les Pays-Bas ou l’Allemagne sont considérés zones sensibles au sens des DEUS.

L’assainissement urbain a commencé au début du siècle en Angleterre, où la demande en oxygène des rivières était le facteur limitant tout déversement de pollution. Comme toutes les rivières anglaises gagnaient la mer en moins de cinq jours, la demande en oxygène pendant cette période, la DBO5, est devenue le paramètre universel de mesure de la pollution organique. Le traitement d’eaux usées par le procédé dit de « boues activées » pour limiter le rejet de DBO5 a été appliqué pour la première fois juste avant la Première Guerre mondiale à Manchester [2]. À l’époque de la révolution industrielle, grâce à la machine à vapeur, les procédés techniques se caractérisaient encore par leur taille énorme, leur aspect brut ainsi que le bruit et les émissions atmosphériques qu’ils généraient.

Les usines de traitement d’eaux usées étaient alors installées loin des villes, tout comme les déjections humaines étaient collectées dans des latrines au fond des jardins pour éloigner toute nuisance, esthétique, olfactive ou sonore de l’habitation. Un exemple typique en est la station d’épuration d’Achères, située sur la Seine en aval de Paris, à une vingtaine de kilomètres de la capitale. Cependant, en raison de l’urbanisation croissante, les anciennes stations d’épuration se trouvent maintenant situées dans des zones peuplées et gênent leur voisinage, surtout à une époque où la sensibilité à l’égard de la qualité de l’environnement est accrue. Le transport des effluents devient de plus en plus coûteux en parallèle avec les distances croissantes, pour atteindre des zones de faible densité.

L’esthétique à la française : les stations compactes et le procédé Biocarbone

C’est pour réutiliser des réseaux de collecte existants que, d’abord sur les nouvelles stations d’épuration, le concept de technologies compactes s’est avéré attractif, comme le démontre l’expérience acquise avec le procédé Biocarbone.

montrent les exemples de stations intégrées dans le site sur la côte méditerranéenne [3] ou dans les sites montagnards comme les villages olympiques d’Albertville. La figure 1 montre la station d’épuration de Passy, dont la capacité atteint 50 000 EH, grâce à la technique modulaire de haute performance qui associe décantation primaire lamellaire et traitement biologique par biofiltration (Biocarbone). L’ensemble des ouvrages est intégré dans un chalet qui reflète l’architecture de la région et rappelle la tendance latine à soigner l’esthétique. Cet attachement à l'élégance extérieure et au bon goût est renforcé par la technologie de désodorisation par lavage chimique, qui rend la proximité d’une telle station d’épuration aussi élégamment discrète qu’un parfum français...

Une centaine d'installations en France, au Japon et aux États-Unis utilisent le procédé Biocarbone. L'exemple de la plus grande station d’épuration avec biofiltre aéré se trouve au Canada à Sherbrooke. Cette station doit traiter 80 000 m³/j avec un traitement physicochimique lamellaire (pour précipiter le phosphore) et 14 cellules Biocarbone (pour abaisser la DBO en dessous de 20 mg/l). Le traitement à grande vitesse (TGV) est abrité dans un immeuble dont la superficie est à peu près équivalente à celle d’un stade, comme illustré dans la figure 2, et qui inclut l'ensemble des unités du prétraitement des eaux brutes jusqu’à la déshydratation des boues par filtre-presse.

Le Biocarbone de Sherbrooke a été mis en service au début de 1991. Les résultats mensuels moyens sont illustrés dans la figure 3 ; pendant la période considérée de neuf mois entre l’automne 1991 et l’été 1992, le débit de l’influent et la concentration des eaux brutes sont proches des valeurs nominales. À l'exception du mois de février, durant lequel des essais d’abaissement du débit d’air ont eu lieu, l’effluent des biofiltres est conforme aux exigences.

Le TGV Nord : l’élimination de l’azote au Danemark

Dans les stations de boues activées, une performance accrue en matière d’élimination de l’azote nécessite un volume de boue environ quatre fois supérieur aux charges moyennes normalement utilisées pour éliminer la pollution organique. Cependant, des extensions de volume d’un facteur aussi important paraissent souvent difficiles et une relocalisation à l'ancienne, trop coûteuse en transport et en énergie. C’est pour cela que la formule d’usines compactes est maintenant appliquée à la mise à niveau de stations d’épuration existantes, grâce à des technologies à grande vitesse. Un exemple typique de mise à niveau d’une usine d’épuration existante, située dans un site restreint, se trouve à Hundested, sur la côte danoise, au Nord de Copenhague, où cette station reçoit en moyenne 3 400 m³/j d’effluents contenant 40 mg/l d’azote et 13 mg/l de phosphore. À la suite du plan danois de réduction des rejets de nutriments dans les eaux côtières, toutes les stations d’épuration devaient se conformer avant fin 1992 aux normes très strictes d’élimination de l’azote et du phosphore à des résiduels très bas : 8 mg/l pour l’azote global et 1,5 mg/l pour le phosphore total, mesuré en moyenne annuelle de contrôles spécifiques du gouvernement (12 prélèvements minimum par station), même quand la température des eaux est de 6 à 18 °C.

Sur le site de Hundested il n’existait, comme dans beaucoup de stations nordiques, qu’un traitement physicochimique pour l’élimination du phosphore et d’une grande partie de la pollution carbonée. Les usines les plus performantes de ce genre en France, situées sur la côte méditerranéenne [4], réduisent jusqu’à 90 % des MES et 70 % de la DBO, et peuvent atteindre les normes des zones non sensibles en cas d’effluent dilué. Cependant, pour réduire l’azote, un bassin biologique important était nécessaire, contraignant la municipalité à gagner du terrain sur la mer ou à relocaliser son usine d’épuration. Le choix fut alors fait d'installer des cellules de Biocarbone dans des anciens bassins de décantation-digestion du type Emscher, malgré les difficultés rencontrées pour réaménager les vieilles cuves de béton en vue d'accueillir les infrastructures de biofiltres. L’élimination de l’azote s'y est réalisée sur biofiltres en adoptant un schéma dérivé des boues activées avec pré-dénitrification, grâce au carbone présent dans l’influent.

La dénitrification sur support granulaire est pratiquée depuis une dizaine d’années dans le traitement d’eau potable [5], la plus grande unité de dénitrification biologique étant en service depuis 1985 à Dennemont (Yvelines).

Le schéma de la pré-dénitrification, à l’opposé de la post-dénitrification sur un ouvrage tertiaire [6], permet de minimiser

l'ajout d'une source carbonée extérieure en utilisant le carbone déjà présent dans l'eau brute. Le carbone est ainsi éliminé dans la zone de dénitrification, ce qui améliore les performances de la nitrification, et le TAC qui se consomme en nitrification est rééquilibré. Aussi, l'oxygène sous forme de nitrates est réutilisé pour la dépollution, au lieu d'être détruit artificiellement au coût d'un ouvrage supplémentaire et d'un surcoût d'exploitation dû à la source carbonée (ce qui, de plus, accroîtrait la production de boues).

Cependant, si un ajout de carbone extérieur s'avère parfois nécessaire quand on veut atteindre un résiduel très bas d'azote, la pré-dénitrification permet d'utiliser un déchet industriel, puisque le réacteur aéré en série assure un polissage de l'effluent. Par contre, la post-dénitrification nécessite une source très pure entièrement biodégradable et un dosage bien maîtrisé pour éviter le relargage de carbone dans l'effluent.

À Hundested, l'effluent pré-précipité dans un décanteur circulaire est admis pour la dénitrification en tête dans six cellules de biofiltration non aérées, anoxiques. Les eaux sont ensuite nitrifiées dans douze cellules Biocarbone aérées, et une partie de l'effluent, qui peut atteindre 300 %, est recirculée dans les cuves non aérées. Toutes les cellules sont de taille identique, soit 22 m². La figure 4 montre une vue de la station de Hundested, où les biofiltres s'insèrent dans la surface existante.

Les biofiltres ont été mis en service à la fin de 1991. Les charges observées en août 1992 étaient proches des valeurs nominales en raison du caractère balnéaire de ce lieu, comme on le voit sur la figure 5. Sauf pour le rapport DBO/N, qui limite la quantité d'azote éliminable, l'influent est conforme aux prévisions. À cause de la carence de carbone à l'entrée, un ajout de mélasse est effectué après la décantation primaire. Les résiduels d'azote sont alors inférieurs aux normes requises : moins de 2 mg/l pour l'ammoniaque et moins de 5 mg/l pour les nitrates, ce qui équivaut à moins de 8 mg/l pour l'azote global, alors que le temps de séjour apparent dans le matériau est de l'ordre de 3 heures. Une usine similaire (mais dix fois plus grande) est en cours de mise en service à Lagny-Saint-Thibault-les-Vignes, dans l'Est de Paris.

Nouveaux défis : performances accrues, exploitation plus simple, normes plus strictes

Le procédé Biostyr est né de l'expérience du Biocarbone, et du souhait de garder ses principes éprouvés tout en améliorant ses performances. Le Biocarbone intégrait au départ tous les avantages des filtres descendants gravitaires classiques : faible sensibilité à la qualité de l'influent, et notamment à la charge en matières en suspension, ainsi que bonne filtration dans le sens du tassement du matériau. L'élément le plus crucial restait pourtant le lavage à contre-courant, qui assure l'évacuation des boues générées dans la filtration biologique par le chemin le plus court.

Tout en maintenant ces caractéristiques, le souhait consistait à simplifier les lavages, maîtriser davantage encore la qualité du matériau filtrant et surtout intégrer dans un même filtre des zones anoxiques et des zones aérées. Ces différents objectifs ont été atteints en remplaçant le matériau minéral lourd par un média synthétique léger. Au lieu de filtrer en descendant vers le fond du filtre, le sens de filtration est inversé pour fonctionner en ascendant vers un plafond qui maintient le média en immersion. Baptisé Biostyr en raison des billes de polystyrène choisies comme matériau de filtration, ce filtre flottant est illustré en figure 6 en parallèle avec le Biocarbone.

Le matériau léger y facilite le lavage, qui s'effectue par simple chasse gravitaire. Les billes de polystyrène sont disponibles en grande quantité grâce à leur large utilisation en emballage ou en isolation, et leurs caractéristiques en granulométrie et densité sont contrôlables dans la fabrication. Grâce à la filtration ascendante sur matériau flottant, on peut installer l'aération soit directement sur le plancher du filtre, soit à mi-hauteur dans le matériau. Dans cette dernière configuration, une zone anoxique se forme à la base du filtre, alors que la partie aérée du matériau permet de nitrifier. La recirculation des nitrates, comme décrit plus haut, mène alors à l'élimination de l'azote global.

Du rêve à la réalité : le prototype Biostyr de Rambouillet

À partir de nombreux essais pilotes réalisés au Centre de Recherche de Maisons-Laffitte, une nouvelle étape de développement était atteinte. Il fallait démontrer que la technologie était faisable et fiable sous environnement industriel à échelle réelle. Rambouillet possède une station d'épuration en forme de musée technique commençant avec des fosses Imhoff et des lits bactériens à rem-

plissage minéral, remplacés depuis par des boues activées à moyenne charge dont la capacité est souvent dépassée. L'Agence de l'Eau ayant fait de l'abattement de l'azote une priorité dans la vallée de la Seine, Rambouillet devait donc s'adapter aux nouvelles normes.

Afin de démontrer qu'une station compacte sans nuisances était réalisable à proximité du domaine de chasse présidentiel, une première cellule de biofiltration de 22 m² d'une future batterie d'une dizaine de filtres était construite. Cette unité a servi à tester les divers équipements du procédé dans des conditions d'exploitation réelle, au cours

desquelles le prototype et ses éléments constituants étaient donc soumis à divers tests de charge hydraulique, mécanique ou pointes de pollution afin de trouver ses limites de fonctionnement. Différentes configurations de traitement étaient ainsi simulées, qui confirmaient qu’à partir d'une eau décantée primaire, des objectifs de traitement conforme aux DEUS pouvaient être atteints.

Des essais plus récents ont aussi confirmé la faisabilité de l'élimination du phosphore en précipitation simultanée sur le biofiltre [7]. Comme suite à l'optimisation technologique du Biostyr et à la confirmation de la fiabilité process sur site, des travaux sont en cours pour mettre à niveau l’usine de Rambouillet aux normes des DEUS avec une pré-précipitation physicochimique et une batterie de dix biofiltres, ce qui réduit considérablement la surface de la station et permet une meilleure intégration dans la vallée de Guéville.

Une cuvée bordelaise de qualité ; le premier Biostyr industriel à Saint-Jean-d’Illac

À la suite des résultats encourageants obtenus à Rambouillet, une première mini-station d'épuration était équipée du nouveau biofiltre grâce au dynamisme du président du Syndicat dans une petite commune de la Gironde. La station était munie de boues activées anciennes, et ne réalisait que l’élimination de la pollution carbonée d’environ 6000 EH. L'objectif était alors l'élimination de l'azote et au moins un doublement de sa capacité, ce qui fut atteint avec cinq cellules Biostyr de 16,5 m², qui devaient traiter 2 000 m³/j. Chaque cellule est remplie de 3 m de matériau polystyrène, dont 2 m sont aérés.

L’ensemble des nouveaux équipements, du prétraitement au décanteur lamellaire et jusqu’au traitement biologique, est logé dans un petit immeuble de 600 m², à peu près la surface de la boue activée existante qui fut réutilisée pour la stabilisation des boues. La figure 7 montre les conditions d’exploitation, depuis la mise en service au début de 1991. On remarque pendant ces deux ans de fonctionnement les conséquences de l'atténuation de la sécheresse dans le Sud-Ouest : au départ, le débit se situait en dessous du nominal, étant relativement concentré, avec une DCO de l’eau brute de l’ordre de 800 mg/l. Avec les chutes de pluie de 1992, le débit atteignit presque le double des valeurs de dimensionnement, avec une légère dilution de l’influent.

Les résultats d’exploitation pour la période correspondante sont montrés sur la figure 8, pour les jours durant lesquels des résultats en nitrification-dénitrification étaient disponibles. L’azote mesuré à l’entrée suit le phénomène décrit ci-dessus : de 60 mg N-NH₄/l, il baisse dans la deuxième année à une moyenne de 40 mg/l. Les rendements de nitrification sont maintenus supérieurs à 90 %, ce qui permet d’atteindre un résiduel proche du niveau NK3 (moins de 5 mg NTK/l). À part pour les périodes de très fort débit en hiver, durant lesquelles les MES sont plutôt proches de 20 mg/l, la filtration ascendante assure un résiduel en dessous de 10 mg/l de MES, et une DCO finale de l’ordre de 60 mg/l.

En période normale, le rendement de dénitrification à Saint-Jean-d'Illac est conforme aux exigences de DEUS qui préconise 70 % d'élimination de l’azote. Cependant, durant les pluies d’hiver, les eaux froides et diluées sont moins bien dénitrifiées à cause de leur carence en carbone facilement biodégradable. L'azote à l'entrée est également dilué en proportion, et le résiduel d’azote global dépasse rarement le 20 mg exigé par le niveau NGL 1. En période de fonctionnement conforme au nominal, les résiduels de nitrates varient autour de 10 mg N-NO₃/l.

L’effet d’échelle : la station d’épuration de Cergy

Le schéma classique de l’épuration en région parisienne était l’acheminement de la majorité des effluents vers la station gigantesque d’Achères, l’une des trois plus grandes du monde. L’opposition du voisinage à la voir s'agrandir davantage, et les difficultés techniques de la mise à niveau d’un tel ouvrage ont fait changer de stratégie et mené vers de nouvelles unités en périphérie. La première étape était la station de Valenton [8], qui est déjà conçue pour l’élimination de l'azote. Du fait de la densité de la population en Île-de-France, le concept de stations compactes sans nuisances, proches des sources de pollution dans les agglomérations, y a trouvé un écho favorable.

Le premier exemple d’une station de hautes performances couverte et discrète est le Biocarbone de Lagny, qui traite également les effluents d’Euro-Disney, et dont la dernière étape de traitement est mise en service au début de 1993. De l’autre côté de Paris, la ville nouvelle de Cergy s’est également équipée d'une station d’épuration afin de soulager celle d’Achères. Cette station de 200 000 EH a été conçue pour la nitrification selon une filière de traitement extrêmement compacte et intégrant une série de nouvelles techniques : boue activée forte charge en cuve profonde opérant directement sur l'eau brute, clarification lamellaire et nitrification sur Biostyr. Une extension future en nitrification-dénitrification serait possible soit en convertissant les biofiltres pour mettre la...

Tableau 1. Références du procédé Biostyr.

Les résultats des stations d’épuration danoises équipées de biofiltres Biocarbone et Biostyr montrent que des résiduels de moins de 10 mg/l d’azote global peuvent être atteints, mais une source carbonée extérieure est nécessaire pour garantir la fiabilité.

Plus de deux ans d’exploitation à échelle réelle montrent que les objectifs des normes européennes peuvent être obtenus avec ces procédés intensifs à faible temps de séjour, même sous des conditions sévères, avec des eaux usées très concentrées. Une première grande station de 200 000 EH équipée de Biostyr a été mise en service en 1992, et une dizaine d’autres sont en cours de réalisation en France, au Danemark, en Grande-Bretagne et en Italie, dont les caractéristiques figurent dans le tableau 1.

Les biofiltres peuvent être exploités soit avec une rampe d’aération dans le matériau, soit en faisant recirculer les nitrates dans la boue activée. Puisque les bactéries nitrifiantes sont sensibles à la concurrence des bactéries dégradant le carbone, l’oxydation de l’azote se réalise d’autant mieux que la concentration en pollution carbonée est faible. La boue activée à forte charge est un moyen très économique de réduire d’au moins 60 % la DBO avec un temps de séjour de moins d’une heure. Si l’on réalise cet ouvrage en cuve profonde (jusqu’à dix mètres) et qu’on y adjoint un clarificateur lamellaire, la surface au sol devient compétitive avec les biofiltres, pour un prix inférieur. La qualité à la sortie de cet ensemble étant affinée sur biofiltre, l’objectif de cette première étape biologique ne doit pas aller aussi loin que le traitement secondaire classique.

Les clarificateurs lamellaires de Cergy sont suivis de 15 cellules Biostyr de 63 m², toutes entièrement aérées pour la nitrification complète de 40 000 m³/j. La station entière est intégrée dans un immeuble désodorisé d’environ 70 m sur 90 m, comprenant l’ensemble de la filière eaux, la désodorisation et la déshydratation. Ne sont pas intégrés dans l’unité principale : les épaississeurs et digesteurs anaérobies des boues, le gazomètre, le bâtiment d’accueil et d’administration. La vue d’ensemble des ouvrages est donnée sur la figure 9. Cette station a été réalisée au titre d’un traité de concession, à un coût d’environ 1 000 F/EH.

L’unité a été mise en service durant l’été 1992. Les conditions de fonctionnement d’automne sont résumées sur la figure 10. Alors que le débit est proche des 1 600 m³/h du dimensionnement, les concentrations d’entrée se situent au-delà des valeurs préconisées de 650 mg DCO/l et 350 mg MES/l, et surtout pour l’azote la charge atteint souvent 150 % du nominal. Les résultats d’exploitation sont également illustrés dans le graphique : alors que la DCO est inférieure au niveau de 90 mg/l et les MES de sortie en moyenne de 20 mg/l, le rendement de la nitrification, qui est toujours supérieur aux 80 % demandés, atteint plutôt 90 % en moyenne.

Conclusion

Le traitement de l’azote, préconisé par la directive européenne, nécessite des ouvrages importants si l’on utilise les techniques classiques. La technologie des biofiltres aérés offre une emprise au sol jusqu’à dix fois moindre et facilite la mise à niveau du patrimoine de stations existant. Ces nouveaux ouvrages peuvent être couverts et rendus sans nuisances, ce qui permet des économies d’infrastructure puisque l’on peut alors rapprocher le lieu du traitement des sources de pollution. Les nouvelles structures occupent moins d’espace, et leur intégration dans l’environnement maintient la qualité du site.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Proposition de directive du Conseil relative au traitement des eaux urbaines résiduaires, Journal Officiel des Communautés européennes du 29.11.89 n° C 300/8.

[2] Ardern E., Lockett W.T. (1914), Oxidation of sewage without filters, J. Chem. Ind, 33, 523. ATV (1989) : 13th Special Report, Kor Abw. Essen Germany, 165-177.

[3] Perraud S., Haegel D., La station d’épuration d’Antibes, L’Eau, l’Industrie, les Nuisances, n° 147, juin 1991, p. 62-64.

[4] Rogalla F. et al., Trade-offs between physico-chemical lamella separators and aerated biofiltration, Chemical Water and Wastewater Treatment II, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 1992, p. 429-445.

[5] Ravarini P., Coutelle J., Damez F., Le traitement d’eau potable à Dennemont. Dénitrification et nitrification biologiques à grande échelle, TSM L’Eau 1988, n° 83, p. 235-239.

[6] Jepsen S.E., La Cour Jansen J., Biological filters for post-denitrification, International Conference on « Sewage into 2000 », Aquatech 1992, Amsterdam, 31 août – 4 septembre.

[7] Sammut F., Franci R., Rogalla F., Chemical Water and Wastewater Treatment II, R. Klute and H.H. Hahn (eds), Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 1992, p. 357-372.

[8] Foy G., Piquet B., Firla Ch. (1988), The Paris-Valenton sewage treatment plant, TSM L’Eau, 83, 3, 113-127.