La filtration biologique (ou biofiltration) est une technologie qui a déjà fait ses preuves pour le traitement des effluents municipaux présentant de fortes variations de charges sur l'année et de basses températures. En effet, plus de 500 stations de traitement des eaux utilisent la biofiltration en Europe. Aquabiotec a développé un biofiltre à lavage segmenté qui constitue une avancée majeure pour des capacités de traitement allant de 1.000 à 20.000 EH. En effet, le nettoyage successif de segments du biofiltre permet notamment de réduire les coûts d'investissement et d'exploitation par rapport à une installation classique, pour un rendement épuratoire équivalent (>90%).
La biofiltration est l'association d'une action mécanique de rétention des MES par filtration et d'une transformation biologique de polluants contenus dans les eaux à traiter par intervention de micro-organismes.
Un biofiltre est un réacteur composé d'un matériau-support permettant la filtration des eaux usées et le développement d'une biomasse adaptée à celles-ci. Généralement, pour des matériaux-supports de densité supérieure à 1, le flux des effluents à l'intérieur du biofiltre est ascensionnel. L’injection d’air est réalisée à co-courant du flux des eaux usées pour maintenir les conditions aérobies dans l'ensemble du réacteur.
Au cours de l’exploitation, il est nécessaire de laver le support filtrant tous les 1 à 3 jours. En effet, sous l’effet conjugué de la croissance bactérienne et de la rétention des MES, les pertes de charges augmentent et peuvent créer des passages préférentiels dans le biofiltre. Pour retrouver les caractéristiques hydrauliques initiales, le lavage est réalisé en 3 étapes. Après un soulèvement du lit filtrant à l’air, le lavage est effectué avec un mélange air/eau suivi d’un rinçage à l’eau seule. Cette procédure de nettoyage prend 20 à 50 minutes et les besoins en eau représentent en moyenne 3 à 5 % de la quantité d’eau traitée. Traditionnellement, le réacteur comporte un fond fixe à buses doubles qui permet l’alimentation en air et effluent. En fonctionnement, il se crée sous ce fond à buses un coussin d’air, de manière à ce que l’air circule en permanence dans le biofiltre.
Les rendements épuratoires obtenus par biofiltration sont souvent supérieurs à 90 % sur la DBO, et sur les MES ainsi que de 80-90 % sur ammonium. L’aération, le lavage, le choix du support filtrant, la hauteur du garnissage et les caractéristiques de l’effluent à traiter sont des facteurs essentiels à la conception d’une unité de traitement à rendement épuratoire optimal.
Une nouvelle génération de biofiltration
Les procédés traditionnels de biofiltration nécessitent des niveaux d’investissement incompatibles à leur mise en œuvre sur des stations d’épuration de capacité inférieures à 15 000 EH, alors que ce procédé donne entière satisfaction aux exploitants sur les gammes supérieures. Cet état de fait a récemment encouragé le développement d'une nouvelle génération de biofiltres équipés d'un système innovant d’alimentation en effluents et en air, qui permet d’optimiser les conditions de lavage du support. Cette biofiltration à « lavage segmenté » permet de réduire les coûts d'investissement et d’exploitation. Cette technologie modulaire et standardisée permet à la biofiltration d’investir le marché de la station d’épuration urbaine sur la tranche 1 000 à 20 000 EH.
Fonctionnement général de la biofiltration
Le biofiltre est constitué de 3 phases :
- - une phase solide : un matériau granulaire (argile expansée, diamètre 2-6 mm) fait office de support au développement bactérien et permet de retenir les MES par filtration. Ce support granulaire doit avoir un réseau microporeux important pour l’obtention d’une surface spécifique élevée, il doit résister à l’abrasion et retenir les particules.
- - une phase liquide : les eaux à épurer.
- - une phase gazeuse : l'insufflation d’air dans la masse filtrante nécessaire à la dégradation aérobie des matières organiques.
Les mécanismes réactionnels mis en jeu dans une unité de biofiltration sont les suivants. Tout d’abord, une séparation physique s’effectue naturellement par passage des eaux à travers la garniture du biofiltre. Les MES sont ainsi retenues et s’accumulent dans le volume interstitiel disponible. Parallèlement, entre en jeu l’activité métabolique des micro-organismes fixés et en développement continuel sur le support granulaire. Il se produit une biodégradation de la pollution carbonée accompagnée si nécessaire d'une élimination de la pollution azotée.
Caractéristiques de l’installation
Les caractéristiques générales d’une unité de biofiltration sont représentées sur la figure 1. Le matériau-support est constitué de grains d’argile expansée de densité environ égale à 1,3 qui donnent les meilleurs résultats.
Innovation technologique : le lavage segmenté
Principe du lavage segmenté
Cette nouvelle génération de biofiltration met en œuvre un support homogène (argile expansée) dédié à la colonisation bactérienne. Pour ces filtres monocouches, il
Il n’est pas nécessaire de fluidiser la totalité du lit filtrant lors des phases de lavages. Le matériau filtrant peut donc se déplacer sur toute la hauteur du lit sans que cela n’ait de répercussion sur l’efficacité du procédé.
Durant les opérations unitaires de lavage, l’air et/ou l’eau sont introduits uniquement sur une fraction de la surface du lit fixe. Le fond à buses, élément essentiel d’un réacteur à lit fixe, est remplacé par un système novateur et efficace de rampes de diffusion diphasique (figures 2-3). Composé d’un diffuseur “air/eau” protégé du garnissage par un manchon métallique perforé, ce système présente notamment la caractéristique d’être accessible depuis l’extérieur du réacteur.
Efficacité du procédé
Pour valider l’efficacité du lavage segmenté, des séries d’expériences ont été réalisées sur un biofiltre de 2,30 m de diamètre. Une hauteur du garnissage (argile expansée, Ø = 2,5 à 5 mm) de 6 m a été utilisée pour les essais.
Pour l’expérimentation, le filtre fut d’abord alimenté en continu avec des boues activées à une concentration proche de 50 gMES/m³ jusqu’à obtention d’une charge de 6 kgMES/m³. Puis, un nettoyage du réacteur fut réalisé en appliquant différentes vitesses aux fluides de lavage. En effectuant un bilan massique, les quantités de matières colmatantes éliminées par les divers lavages testés ont été quantifiées. Le tableau 1 donne les taux d’efficacité des rinçages (taux de présence des matières colmatantes dans l’effluent de rinçage).
Tableau 1 : Efficacités du rinçage par lavages traditionnel et segmenté
| Type de lavage |
|---|
| Traditionnel (Sₜₒₜ) |
| Segmenté (1/4 Sₜₒₜ) |
* Les vitesses dans les tubes vides sont calculées avec la surface totale du filtre
* Sₜₒₜ est la surface totale (base du réacteur cylindrique)
Le lavage segmenté offre donc les mêmes performances qu’un lavage traditionnel de l’intégralité de la surface du biofiltre. On constate que de faibles débits d’air et d’eau suffisent pour redonner au réacteur ses caractéristiques hydrauliques initiales. Il est aussi observé que l’injection d’air sur un quart de la surface du biofiltre ne se répartit pas sur toute la surface mais remonte la hauteur du lit filtrant sur le segment considéré. Pour un lavage traditionnel, si des vitesses plus faibles pour l’eau et l’air sont imposées, le taux d’efficacité du décolmatage est réduit à 54 %.
Le lavage segmenté permet un gain énergétique notable pour un rendement de lavage optimum.
Intérêts de la biofiltration à lavage segmenté
La biofiltration à lavage segmenté permet d’utiliser les mêmes systèmes d’aération et de pompage pour les phases de dégradation et de lavage. Ceci présente un atout indéniable en termes d’investissement et de maîtrise des coûts de fonctionnement.
À l’instar des procédés traditionnels de biofiltration, cette technologie conserve tous ses intérêts pour le traitement des effluents de villes et villages touristiques ainsi que pour le traitement du carbone et de l’azote à basses températures.
Dans le cas de fortes variations de charges azotées, il est nécessaire de préparer la biomasse aux écarts de charges polluantes qui peuvent être très importants. La microflore nitrifiante a un développement beaucoup plus lent que les bactéries qui dégradent les composés carbonés quelles que soient les conditions de températures. L’objectif est d’accroître la quantité de biomasse nitrifiante sur le support à l’approche des pics de pollution. Pour ce faire, on procède à une mise en rotation de plusieurs unités de biofiltration : chaque biofiltre est alimenté en eaux usées à une charge polluante relativement proche de la charge maximale estimée. Ce système de rotation implique la mise en veille de certaines unités.
En maintenant l’aération, il a été démontré qu’en 10 heures de fonctionnement le biofiltre retrouve son niveau optimal de nitrification après 3 jours d’arrêt [1]. Cependant, dans les conditions normales d’exploitation, le temps d’arrêt d’un biofiltre est inférieur à 3 jours, les capacités de nitrification de l’installation sont donc tout le temps conservées à leur optimum.
Concernant l’abattement de l’azote ammoniacal, il est préférable de dimensionner les installations de manière à avoir une capacité de nitrification maximale déterminée en fonction de la charge en DBO₅, de la température ainsi que de la quantité d’ammonium présente dans l’effluent.
Pour des eaux en entrée de biofiltration à 8 °C (soit vers 6,5 °C en entrée de STEP) et pour une charge volumique maximale appliquée de 1,5 kg DBO₅/(m³·j), la capacité maximale de nitrification est voisine de 0,55 kg NO₃-formed/m³·matériau/j [1].
Biofiltration dans le traitement des eaux usées
Exemples d’implantation de biofiltres en stations d’épuration
Diverses configurations sont envisageables. Le choix des étapes de traitement est principalement dicté par les normes de rejet auxquelles sont soumises les collectivités et industries.
La figure 4 présente l’application classique d’une unité de biofiltration en une seule étape précédée par des prétraitements (dégrillage, dessablage et dégraissage) qui éliminent essentiellement les matières potentiellement colmatantes pour le support. Une déphosphatation peut aussi être réalisée par ajout de FeCl₃ en amont du biofiltre.
La figure 5.1 présente la mise en série de deux biofiltres qui permet :
- - la dégradation de la pollution organique et ammoniacale sur un effluent industriel,
- - le traitement de la pollution organique et azotée sur un effluent de collectivité.
La recirculation d’un effluent en tête du premier biofiltre en fonctionnement anoxique permet une étape de dénitrification suivie d’une nitrification dans le second biofiltre aérobie (figure 5.2).
Dans le cas d’une station d’épuration existante utilisant par exemple des boues activées (figure 6), la biofiltration en tant que traitement tertiaire garantit une bonne nitrification des eaux, un abattement de la DCO dure et l’élimination complète des MES. Un biofiltre peut aussi être ajouté en parallèle dans le cas d’une augmentation de la capacité de traitement.
Étude de cas réels de biofiltration à lavage segmenté
Collectivités
La biofiltration est une technologie très adaptée aux collectivités de petites et moyennes capacités (1 000 à 20 000 EH) et plus particulièrement au traitement d’effluents à fortes variations de charges ou/et à basses températures.
Les concentrations variables des MES présentes dans des effluents de collectivité en entrée de station de biofiltration sont représentées sur la figure 7 ci-dessus.
Les variations de concentrations entrantes en MES ont peu d’influence sur l’efficacité du traitement puisque la valeur limite préconisée est respectée (5 mg MES/L). Le taux d’abattement global des MES par biofiltration est de 96 %. Le procédé conserve donc une bonne capacité d’élimination des MES même dans le cas d’une fluctuation d’un facteur 3 sur ce paramètre.
Les MES et la DCO résiduelle soluble sont à l’origine de la concentration totale en DCO en sortie de traitement (1 g MES = 1 g DCO). Après biofiltration, la quantité de MES étant minime (< 5 mg/L), la DCO soluble non biodégradée dans le biofiltre constitue la DCO résiduelle totale mesurée en sortie. Celle-ci dépend donc essentiellement de la charge volumique appliquée en entrée de l’installation (figure 8).
On observe qu’une augmentation significative de la charge appliquée en entrée de biofiltration engendre une faible élévation de la DCO résiduelle dans les eaux traitées. La biofiltration permet donc une bonne efficacité épuratoire pour des charges polluantes entrantes variables.
Industries papetières
La mise en œuvre de la biofiltration pour le traitement des eaux usées dans l’industrie papetière est une solution éprouvée. Aujourd’hui, environ 15 papeteries européennes utilisent cette solution [2].
Une papeterie dont le process général suit la figure 4 est étudiée. La figure 9 correspond à un suivi de 33 jours de l’évolution des MES présentes dans les eaux à traiter et en sortie de biofiltration.
Dépendant de l’efficacité du prétraitement mécanique, les concentrations en MES varient entre 10 et 30 mg/L à l’entrée du biofiltre et se situent constamment autour de 5 mg/L en sortie de traitement. Il y a donc une bonne rétention des particules grossières au sein du biofiltre.
Quant à l’élimination de la charge carbonée des eaux de lavage, la figure 10 présente les
cinétiques de la DCO mesurée en entrée et sortie de biofiltration sur 33 jours de suivi.
La DCO des eaux brutes en entrée de biofiltration varie entre 50 et 140 mg/L. La DCO résiduelle est stable à 20 mg/L au cours du suivi réalisé. Le biofiltre répond très bien aux variations relatives de charges journalières. Ces observations permettent d’envisager un rejet des eaux traitées dans le milieu naturel.
La DCO en entrée de biofiltre se situe entre 400 et 1 300 mg/L. Au cours des sept premiers jours, on observe une bonne activité de la biomasse qui permet de réduire la DCO à 100 mg/L en sortie de traitement. Puis celle-ci se stabilise autour de 30-50 mg/L, même pour d'importantes variations de la charge entrante à épurer. Le biofiltre a alors atteint son fonctionnement maximal. Quatre semaines ont été nécessaires pour que la flore bactérienne soit complètement active.
Industries chimiques
Dans l'industrie chimique, les pollutions organiques des effluents sont souvent difficilement biodégradables. Pour leur traitement, la biofiltration donne souvent de meilleurs résultats comparativement aux systèmes de boues activées. Ceci est principalement dû à des âges de boues supérieurs pour la biofiltration, ce qui implique que la biomasse fixée sur le matériau-support s'adapte mieux à la source carbonée présente dans les eaux usées. Les faibles concentrations en MES des eaux traitées après biofiltration facilitent un éventuel traitement tertiaire (filtration sur sable, ozonation).
La figure 11 présente l’évolution de la DCO en entrée et sortie de biofiltration pendant le démarrage de la STEP d'une industrie de transformation plastique.
Références d’installations réalisées
Le lavage segmenté est testé depuis quelques années sur différents types de schémas d’exploitation (figures 4-5-6). Le suivi de ces installations permet notamment.
Tableau 2 : Références de la biofiltration en lavage segmenté
| Tonning | Municipale | Schéma 3 | Charge hydraulique 2 700 m³/j | DCO entrée 600 mg/L | DCO sortie < 200 mg/L | Année 2000 | Rendement > 90 % |
| Lis Sado | Industrie pétrochimique | Schéma 1 | Charge hydraulique 50 m³/j | DCO entrée 500 mg/L | DCO sortie < 100 mg/L | Année 2002 | Rendement > 80 % |
| Phoenix | Industrie plastique | Schéma 2 | Charge hydraulique 500 m³/j | DCO entrée 1 500 mg/L | DCO sortie < 200 mg/L | Année 2004 | Rendement > 87 % |
| ItalPet | Industrie plastique | Schéma 1 | Charge hydraulique 200 m³/j | DCO entrée 1 500 mg/L | DCO sortie < 50 mg/L | Année 2004 | Rendement > 97 % |
| Guzet | Municipale | Schéma 1 | Charge hydraulique 700 m³/j | DCO entrée 600 mg/L | DCO sortie < 60 mg/L | Année 2006 | Rendement > 90 % |
Liste des abréviations
| DBO : Demande Biologique en Oxygène (en mgO₂/L) |
| DCO : Demande Chimique en Oxygène (en mgO₂/L) |
| MES : Matières en Suspension (en mg/L) |
| STE : Station d’épuration |
de vérifier si les résultats épuratoires sont ceux escomptés,
Conclusion
Les principaux cas d'utilisation de la biofiltration sont l’élimination de la DCO facilement ou peu biodégradable ainsi que la nitrification de l'azote ammoniacal. Les charges volumiques maximales pouvant être appliquées sont comprises entre 3 et 10 kg DCO/m³/j pour la pollution organique et entre 0,9 et 1,0 kg N NH₄⁺/m³/j pour la nitrification.
Les avantages de la biofiltration à lavage segmenté sont les suivants :
- - excellents rendements épuratoires, [3]
- - très bonne adaptation aux variations de charge,
- - bonne efficacité à basses températures de l'eau, [1], [4], [5]
- - compacité de l'installation, faible encombrement au sol,
- - technologie modulaire,
- - grande flexibilité vis-à-vis des charges hydrauliques,
- - absence de boues flottantes et de pertes de boues, [6]
- - système automatisé avec possibilité de télé-gestion,
- - exploitation facile pour un coût réduit,
- - faibles coûts d’investissement.
Ce nouveau procédé de lavage permet d'utiliser la biofiltration pour de petites et moyennes stations de traitement des eaux municipales et industrielles (à partir de 1 000 EH).
Références bibliographiques
[1] Canler J.-P., Perret J.-M., Lengrand F., IWEMA A. (2002) : « La nitrification en biofiltration. Application à des charges variables et à des basses températures ». TSM numéro 10, année 1997.
[2] Rüdiger A., Sekoulov I., Rüdiger I. (2005) : « Waste water treatment of pulp and paper mill effluent according to IPPC regulations », 32nd International Meeting of Slovenian Papermakers « New trends in papermaking », 9-10 November 2005, Bled, Slovenia, conference prints.
[3] Rüdiger A. (1999) : « Experiences with biofiltration in waste water treatment », Fourth BNAWQ Scientific and Practical Conference, Water Quality Technologies and Management in Bulgaria, 17-19 Feb. 1999, Sofia, Bulgaria, Conference Preprints.
[4] Canler J.-P., Durand C., Perret J.-M. (1996) : « Efficacité des biofiltres vis-à-vis de l’azote » dans « Traitement de l’azote – cas des eaux résiduaires urbaines et des lisiers ». Actes du colloque, Lyon, 25/10/1996. CEMAGREF éditions, p. 39-52.
[5] Rüdiger A.; Pujol R. (1998) : « Experiences with biological filtration for carbon and nitrogen removal », 2nd Intern. Black Sea Conference, Environmental Protection Technologies for Coastal Areas, 21-23 Oct. 1998, Varna, p. 195-201.
[6] Tandoi V., Jenkins D., Wanner J. (2006) : « Activated Sludge Separation Problems. Theory, Control Measures, Practical Experiences ». IWA Publication, January 2006, 216 p., ISBN : 1900222841
