La filtration biologique aérobie ascendante sur support minéral immergé

Ces processus sont fiables et éprouvés mais exigent des ouvrages importants, tolérant mal de brutales variations de charge hydraulique. Le traitement biologique aérobie peut être réalisé dans des réacteurs de dimensions plus restreintes, donc avec des temps de séjour plus faibles et des temps de réponse plus courts à condition :

• — de maintenir une concentration suffisante de biomasse active dans le réacteur ;
• — de disposer d’un système d’aération fiable et performant pour satisfaire les besoins en oxygène du milieu ;
• — de maîtriser, par une procédure adaptée, la biomasse en excès.

• * Degrémont France.
• ** Degrémont Suisse.
• *** Philipp Muller SA.

Ces conditions sont parfaitement remplies par les procédés actuels utilisant les cultures fixées sur support minéral immergé ; de plus, l’utilisation d’un matériau-support granulaire de taille appropriée induit un effet de filtration mécanique permettant la rétention des matières en suspension et donc de s’affranchir du clarificateur secondaire. Fonctionnant sur ce principe, le Biofor peut donc être défini comme un réacteur biologique aérobie, à biomasse fixée sur un matériau support spécifique monocouche en lit fixe immergé à flux ascendants d’air et d’eau.

Ces techniques compactes et compétitives peuvent soit remplacer, soit compléter de manière très performante des stations existantes surchargées ou dont les conditions de rejet ne correspondent plus aux normes en vigueur.

L’élimination des divers polluants se fait en plusieurs stades ; cette disposition est d’ailleurs plus favorable à un fonctionnement stable et bien maîtrisé que celle de procédés plus « simplistes », mais dont l’exploitation l’est beaucoup moins. En effet, l’élimination biologique de la pollution carbonée est principalement l’œuvre de bactéries hétérotrophes à développement rapide. Vers 20 °C, le temps de doublement oscille selon les genres de vingt minutes à deux heures, de plus, les cinétiques catalytiques des enzymes contenues dans ces bactéries sont également élevées. La production de biomasse rapportée à la quantité de pollution éliminée est importante ; elle est fonction de la charge appliquée ainsi que de « l’âge » moyen encore appelé « âge de boue ».

Quant à l’élimination de la pollution azotée sous forme ammoniacale, la transformation en azote nitrique s’effectue en au moins deux étapes requérant chacune des espèces bactériennes bien distinctes. Les plus connues sont les Nitrosomonas responsables de l’oxydation de l’azote ammoniacal en azote nitreux et les Nitrobacter se chargeant quant à elles de l’étape azote nitreux – azote nitrique. Ces bactéries sont du type autotrophe et présentent des temps de doublement à température ambiante compris entre 16 et 24 heures, ceci si les conditions extérieures sont favorables, c’est-à-dire en présence d’une quantité suffisante de nutriments minéraux et d’oxygène non limitant. De plus, leurs cinétiques enzymatiques sont bien moins rapides que celles des hétérotrophes.

Toutes ces bactéries sont capables de travailler ensemble dans le même milieu. Cependant, quelle que soit la mise en œuvre (boues activées, lit bactérien), lors d’un déséquilibre de l’alimentation, ce sont toujours les hétérotrophes qui prennent l’avantage au détriment des autotrophes. Ainsi, si la perturbation se prolonge, les bactéries nitrifiantes peuvent être complètement éliminées du milieu, ce qui a pour conséquence une stabilité d’épuration très délicate à maintenir à un taux optimum, sauf à travailler à des charges très faibles (aération prolongée, …) et comme seconde implication, un lent recouvrement des pleines capacités après un déséquilibre brutal.

Parmi leurs avantages, les procédés à cultures fixées permettent de s’affranchir de la notion d’âge de boues puisqu’ils n’éliminent la biomasse que par des purges volontaires et non par lessivage hydraulique.

Si un seul filtre biologique est utilisé dans des conditions permettant une nitrification, il a été décrit des situations où l'effluent, lors de sa progression à l'intérieur du réacteur, rencontre successivement les différentes espèces bactériennes suivant une stratification : films à prépondérance hétérotrophe puis autotrophe... ceci doit être possible dans des conditions d'alimentation très stables et à condition que le filtre ne soit pas déstratifié à chaque lavage. Cependant, notre expérience nous a montré que même si l’oxygène ne fait en aucun cas défaut, mais si la charge en carbone est largement prépondérante vis-à-vis de celle en azote, la quantité de biomasse produite par les bactéries autotrophes sera bien inférieure à celle créée par les hétérotrophes. Ce phénomène est bien connu dans les stations à cultures libres et constitue le lessivage hydraulique cité plus haut.

De même, dans un réacteur à culture fixée chargé d’éliminer dans le même volume le carbone et l'azote, la perte de charge au sein du réacteur augmentera alors rapidement jusqu’à atteindre la valeur-seuil déclenchant le lavage du filtre. Si la fréquence des lavages dépasse le temps de reproduction des autotrophes, celles-ci sont de fait éliminées du filtre biologique. De plus, les cinétiques enzymatiques des autotrophes étant plus lentes, la vitesse de transit de l'effluent au sein du réacteur ne correspond pas nécessairement à la vitesse optimum de passage dans la zone des hétérotrophes.

Afin de pouvoir ajuster au mieux le rapport vitesse de transit/temps de cycle et de pouvoir agir quasi spécifiquement sur chaque type de pollution, il est logique de travailler avec deux réacteurs en série. Ceux-ci n’ayant pas nécessairement les mêmes surfaces, à épaisseur de matériau égale, les vitesses de transit pourront facilement être adaptées à chaque cas, et ce d’autant plus que le procédé est modulaire. Les matériaux support peuvent également être différents et permettront de répondre à des impératifs de traitement imposant capacité de rétention et qualité de filtration. Enfin, toujours grâce à l'aspect modulaire du système, l'effluent à traiter peut être réparti en fonction de son débit ou de sa concentration entre un ou plusieurs filtres pour obtenir aisément des résultats constants.

Ainsi, grâce à leur grande souplesse d'emploi, ces procédés pourront donc être utilisés :

— en installation neuve grâce à leur grande compacité,

— en réhabilitation de station surchargée,

— en complément de station dont les normes de rejet ne correspondent plus aux nouveaux impératifs.

Toutes ces situations ont déjà fait l'objet de réalisations ainsi qu’essais-pilotes approfondis dont nous examinerons les principaux cas :

Carbone et azote en cultures fixées. Genève (Suisse) : remplacement de l’intégralité de la station actuellement très surchargée, par des procédés plus performants et surtout très compacts.

Carbone en classique et azote en cultures fixées :

— sans déphosphatation : Bielefeld (RFA) : station classique dont les normes de rejet en azote deviennent très contraignantes ;

— avec déphosphatation : Schleswig et Cloppenburg (RFA) : stations classiques dont les normes de rejet en azote et en phosphore ont évolué récemment.

ÉTUDE DE CAS

UTILISATION INTÉGRALE DES CULTURES FIXÉES

Genève

Équipée d’une station classique de boues activées de 400 000 équivalents-habitants, actuellement très surchargée, la ville de Genève envisage le doublement de la capacité épuratoire ainsi que de nouvelles normes.

Les normes de rejets imposent entre autres en moyennes journalières :

— DBO₅ < 25 mg/l

— N-NH₄ < 3 mg/l (à 12,5 °C).

De plus, de sévères contraintes d’environnement doivent être respectées :

— compacité maximale de la filière utilisée car la surface au sol est très limitée,

— nuisances olfactives et sonores minimales car de très nombreux riverains sont situés à proximité (figure 2).

Le Duofor pilote de la station de Genève-Aire est donc constitué de deux Biofor successifs de 21,5 m² chacun. Le premier étage, chargé d’éliminer la pollution carbonée, contient de la Biolite P 3,5 mm ; le second, ayant un double rôle de nitrification et de polissage de l’effluent, utilise du sable 1,35 mm comme matériau filtrant. L'ensemble est alimenté en eau brute puisée après les dessableurs de la station puis dégrillée à 6 mm et enfin microtamisée à 150 microns en traitement primaire. Les surpresseurs d’air process et de lavages sont regroupés dans un local technique situé entre les deux Biofor. Les procédures de lavage et le suivi des paramètres physiques sont gérés par un automate programmable.

D'abord effectués à débit constant afin de tester les pilotes eux-mêmes, les essais ont ensuite été effectués à débit variable grâce à un asservissement du régime des pompes d’alimentation au débit entrant sur la station, ceci afin de tester la fiabilité du procédé en situation réelle.

Ces essais se sont déroulés sur dix mois consécutifs en tenant compte de ce que les contraintes de rejets, notamment sur l’azote, sont sévères et difficiles.

à respecter. En effet, il ne faut pas oublier que le temps de séjour hydraulique dans les procédés à cultures fixées est très court comparativement aux boues activées ; il en découle un faible pouvoir d'écrêtage en cas d'arrivée brutale d'une forte concentration en pollution. Afin de garantir les sévères normes imposées, il convient donc de ne pas utiliser le système au maximum de ses capacités épuratoires.

Les résultats moyens obtenus sur 295 jours consécutifs s'établissent ainsi :

Débits d'alimentation

• première période   Biofor 1 : Débits constants appliqués : 95 et 133 m³/h, soit des vitesses de 4,4 et 6,2 m/h.   Biofor 2 : Débits constants appliqués : 62 et 86 m³/h, soit des vitesses de 2,9 et 4 m/h.

• deuxième période   Débits asservis au débit entrant sur la station (voir tableau I).

Tableau I

Les résultats moyens figurent sur le tableau II.

Afin de minimiser les quantités d'eaux sales de lavage à traiter, deux turbidimètres mesuraient la concentration des eaux rejetées lors du rinçage. Ils permettaient de détecter le moment où ces eaux atteignaient une concentration suffisamment faible pour pouvoir être directement rejetées dans le Rhône. Ce qui a permis de diminuer d'environ 25 % le volume des eaux à retraiter. Ainsi, malgré des vitesses ascensionnelles correspondant en permanence au débit maximal à traitement garanti, les normes de rejets ont été constamment respectées.

Tableau II

Rendement global entrée–sortie : 90 % (MES) – 86 % (DCO) – 89 % (DBO₅) – 82 % (N-NH₄)

Récapitulation générale des essais

Etage 1

— Débit moyen traité : 112 m³/h — Rendement moyen sur DCO : 73 % — Charge moyenne appliquée : 9,38 kg DCO/m³/j — Charge moyenne traitée : 6,4 kg DCO/m³/j — Air/Eau : 2,5 – 3 — Durée cycle : 24 h — Boues produites : env. 1 kg MS/kg DBO₅ éliminée — Eau lavage : 7,5 m³/m² — Eau lavage/Eau traitée : 6,7 % — Energie lavage : 0,8 kWh/m³/lavage — Rendement élimination/énergie consommée : 1,5 kg DCO/kWh

Etage 2

— Débit moyen traité : 75 m³/h — Rendement moyen sur N-NH₄ : 83 % — Charge moyenne appliquée : 0,29 kg N-NH₄/m³/j — Charge moyenne traitée : 0,24 kg N-NH₄/m³/j — Air/Eau : 2,5 – 3,5 — Durée cycle : 48 à 72 h — Boues produites : env. 2,1 kg MS/kg N-NH₄ éliminé — Eau lavage : 8,5 m³/m² — Eau lavage/Eau traitée : 3 % (sur 4 mois) — Energie lavage : 1,4 kWh/m³/lavage — Rendement élimination/énergie consommée : 0,09 kg N-NH₄/kWh

Caractéristiques globales de l'installation

En considérant les deux pilotes comme une unité globale de traitement, on obtient les résultats suivants :

DCO

— Charge moyenne appliquée : 3,75 kg DCO/m³/j — Charge moyenne éliminée : 3,25 kg DCO/m³/j — Rendement moyen observé : 86 %

N-NH₄ :

— Charge moyenne appliquée : 0,22 kg N-NH₄/m³/j — Charge moyenne éliminée : 0,19 kg N-NH₄/m³/j — Rendement moyen observé : 83 %

DBO₅ :

— Concentration moyenne de sortie : 13 mg/l — Rendement moyen d’élimination : 90 %

MeS :

— Concentration moyenne de sortie : 10,4 mg/l — Rendement moyen observé : 90 % — Eau de lavage/Eau traitée : 10 % — Volume de boues en tête/Volume eau traitée : 7,5 % — Énergie fournie/Volume traité : 0,36 kWh/m³ eau traitée

BIOFILTRATION DEUX ÉTAGES

LES CULTURES FIXÉES EN TERTIAIRE

Elles sont utilisées pour soulager des stations surchargées ou pour permettre d’atteindre de nouvelles normes de rejets. Le schéma général d’étude s’établit comme indiqué sur la figure 4.

Bielefeld

Station urbaine surchargée, composée selon le schéma ci-dessus, dont les caractéristiques des eaux de sortie sont, à l'heure actuelle, les suivantes :

Débit maximum : 3 700 m³/h (période sèche) Débit maximum : 6 700 m³/h (période pluvieuse) DBO₅ < 25 mg/l DCO₅ < 100 mg/l NH₄-N < 30 mg/l P-PO₄ < 10 mg/l

Or, les normes viennent d’être modifiées et imposent entre autres : DCO₅ < 75 mg/l et N-NH₄ < 5 mg/l.

Le Biofor du premier étage (à Biolite P 3,5 mm) est chargé d’abaisser la DCO puis de nitrifier partiellement. Le second étage achève la nitrification et, par effet de filtration mécanique, retient les MeS participant ainsi à l'abattement de la DCO. La séparation des fonctions autorise des vitesses de transit élevées : 8 m/h sur le premier étage ; 6 m/h sur le second avec des durées de cycles respectives entre deux lavages de 48 et 24 heures (à 16 °C en moyenne).

Les résultats obtenus (en mg/l) sont portés sur le tableau III.

Tableau III

Les normes imposées sont donc largement respectées.

Schleswig

Toujours réalisée selon le même schéma : lit bactérien + boues activées, la station urbaine de Schleswig nitrifiait en partie ses effluents. À la suite du traité de protection de la mer du Nord, les normes de rejets ont évolué comme suit :

DCO₅ < 75 mg/l N-NH₄ < 10 mg/l P-PO₄ < 0,5 mg/l

Or, la station présente les résultats actuels ci-après :

Débit maximum : 800 m³/h DBO₅ : 23 mg/l DCO₅ : 100 mg/l N-NH₄ : 60 mg/l P-PO₄ : 1 mg/l

La station nitrifie déjà environ 20 % de l’azote entrant sur la station. Les MeS en sortie de station sont donc riches en bactéries nitrifiantes.

Un double étage de Biofor pilotes a donc été installé durant quatre mois. Le premier étage a été chargé spécifiquement de la nitrification, la déphosphatation nécessaire étant obtenue grâce à l'injection de chlorure ferrique (Fe = 4 mg/l) précipitant le phosphore sous forme de phosphate de fer. Le second étage avait donc un rôle biologique de finition de la nitrification et mécanique de rétention des MeS et du phosphate de fer.

Les résultats obtenus (en mg/l), à la température moyenne de 14 °C et aux vitesses respectives de 6 et 5 m/h, sont portés sur le tableau IV.

Tableau IV

Ils correspondent à 87 % d’élimination de l’azote ammoniacal et 77 % d’élimination du phosphore.

Cloppenburg

La station de traitement d’eaux résiduaires urbaines de Cloppenburg reçoit également les eaux usées provenant d'une usine de traitement de pommes de terre. L'effluent a donc des caractéristiques présentant de fortes concentrations.

On a relevé à l'entrée de la station les données suivantes :

Débit ............ 5 000 à 13 000 m³/j  
DCO .............. 280 à 2 000 mg/l  
DBO₅ ............ 150 à 1 300 mg/l  
N-NH₄ ............ 13 à 51 mg/l  

La station existante est constituée d'une décantation primaire, d'un bassin de boues activées avec un lit bactérien en tête et d'un clarificateur secondaire.

Les caractéristiques de sortie des eaux étaient très variables :

DCO .............. 40 à 230 mg/l  
N-NH₄ ............ 14 à 32 mg/l  
DBO₅ ............ 20 à 110 mg/l  
MeS .............. 40 à 60 mg/l  

Or, les normes de rejets imposent :

DCO < 80 mg/l  
DBO₅ < 15 mg/l  
N-NH₄ < 5 mg/l (à 12 °C)  
P-total < 2 mg/l  

Deux pilotes Biofor ont donc été installés en série, le premier équipé de Biolite P de granulométrie moyenne 3,5 mm, le second de sable 1,35 mm. Testés durant deux mois jusqu'à des débits de 6,8 m³/m²/h sur le premier étage et de 4,8 m³/m²/h sur le second, ils ont permis de stabiliser et de maintenir les résultats suivants :

DCO .............. 60 mg/l  
N-NH₄ ............ < 2 mg/l  
MeS .............. 4-6 mg/l  

Ceci pour des charges appliquées (ramenées à la somme : étage 1 + étage 2) de 3,25 kg DCO/m²/j et de 0,46 kg N-NH₄/m²/j avec des rendements de 60 % sur la DCO et 90 % sur l'azote et ce pour des températures s'échelonnant de 16 à 20 °C.

Quant à l'élimination du phosphore, pratiquée comme précédemment par injection de FeCl₃ sur le second étage, elle a permis d’atteindre un effluent moyen contenant moins de 1 mg/l de phosphore total, ceci avec des durées de cycles de 24 heures sur le second étage (72 heures sur le premier).

Cet essai s'est concrétisé par la construction de 13 Biofors de 40 m³ chacun répartis à raison de 6 à Biolite P en premier étage et de 7 à sable pour le second, dont le démarrage devrait avoir lieu prochainement.

CONCLUSION

Souple et modulaire, la biofiltration s'impose dès que les normes de rejets sont contraignantes et que la compacité de l'ensemble le requiert.

Gérée par des automates programmables, elle s'avère très simple d'exploitation et d'une fiabilité remarquable dans le temps.

Bien que plus onéreuse en frais de premier investissement, elle se révèle en revanche plus économique car elle minimise les coûts énergétiques ainsi que les coûts liés au personnel d'exploitation.

Enfin, l'encombrement au sol étant réduit, l'adaptation aux conditions d'environnement est très aisée (voisinage, conditions climatiques, ... ) et permet souvent une meilleure implantation dans le site.