Nouveaux développements des traitements biologiques utilisant une biomasse

En effet, les procédés classiques d’épuration par boues activées ne permettent d’améliorer la qualité des rejets que d’une façon partielle, et cela au moyen du surdimensionnement des installations. Cette technique, bien que simple et efficace dans de nombreuses applications, a ses limites liées à la concentration de la biomasse, au transfert d’oxygène, aux variations de charges acceptables, à la fiabilité de la clarification secondaire assujettie aux fluctuations de décantabilité des boues. C’est pourquoi de nombreuses recherches se sont orientées vers des procédés nouveaux permettant d’éviter ces inconvénients.

Les systèmes les plus intéressants semblent être les filtres noyés à faible granulométrie et les lits fluidisés, car ils permettent de traiter de fortes charges polluantes organiques. Les lits fluidisés se heurtent cependant à des problèmes de fuites de matières en suspension dans l’effluent traité.

LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE

De façon très succincte, le traitement biologique consiste à dégrader les impuretés organiques par l’action d’une biomasse épuratrice. Cette biomasse peut être soit libre, soit fixée et est constituée de micro-organismes divers : bactéries, levures, protozoaires, métazoaires.

De façon toujours très schématique, ce sont les bactéries qui dégradent le substrat, les espèces plus évoluées se nourrissant de bactéries ou d’autres espèces de la microfaune. Concentrer la population primaire type bactérie dans le système permet d’éliminer davantage de pollution par unité de volume et donc de travailler à plus forte charge appliquée.

Dans le procédé conventionnel, avec biomasse libre, par boues activées, il n’est pas possible de concentrer en grand nombre ces espèces peu décantables, dans la mesure où la concentration de la biomasse est réalisée par décantation. Le procédé est donc naturellement limité en charge applicable.

Dans un système à biomasse fixée, la possibilité de concentrer les bactéries existe naturellement dans la mesure où la concentration de la biomasse se fait par l’accrochage sur un support. L’aptitude de l’espèce à la décantation n’est alors plus un critère primordial.

De ce fait, les systèmes à biomasse fixée semblent a priori posséder un potentiel épuratoire bien plus important que les procédés conventionnels. Cependant, pour que ce potentiel puisse être correctement utilisé, encore faut-il :

• — qu’il y ait accrochage possible et en quantité suffisante de la biomasse désirée ; cet aspect est fonction de la nature et de la granulométrie du support,
• — qu’il n’y ait pas de facteurs limitants, notamment qu’on puisse fournir à cette biomasse l’oxygène qui lui est nécessaire. Cet aspect est lié à la technologie de l’installation.

Notre approche a principalement porté sur ces aspects et a finalement abouti au développement de notre propre procédé, qui est une technique par lit fixé noyé et aéré. Les résultats exposés ci-après couvrent quatre années d’expérimentation et de développement.

LE PROCÉDÉ BIOCARBONE (1)

Présentation du procédé

L'ouvrage est un filtre descendant garni en matériau de granulométrie suffisamment faible pour obtenir un effet de filtration efficace. Le matériau sert simultanément de support à la biomasse qui est de type fixé (figure 1).

L'oxygène nécessaire à l'activité biologique aérobie est fourni en insufflant de l'air dans le matériau à l'aide de grilles situées 20 à 30 cm au-dessus de la base du filtre. Ce dispositif assure une bonne distribution de l'air dans le filtre et, grâce au cheminement, aux chocs et au morcellement des bulles sur les grains de matériaux, permet d’obtenir un rendement de transfert exceptionnellement élevé.

Le fonctionnement en lit immergé est nécessaire pour assurer une charge hydrostatique permettant la filtration à travers le matériau et pour obtenir le rendement de transfert élevé précédemment mentionné.

L'aération, qui détasse en permanence la majeure partie du lit, permet une pénétration des matières en suspension contenues dans l’effluent. Le risque de colmatages trop fréquents est inexistant, et le procédé peut fonctionner sans problème sur eau décantée, parfois même sur eau brute. La couche de matériaux située sous l'aération joue un rôle d'affinage sur les matières en suspension.

Le procédé assure simultanément l'épuration biologique et la clarification par filtration de l’effluent traité.

(1) Brevet O.T.V.

Fonctionnement du système

La hauteur en matériau est de 1,5 à 3 m. L'eau percole à contre-courant de l'air. L'effluent traité transite par une bâche à eau qui sert de stockage pour les lavages. Pour permettre la filtration à travers la masse poreuse, il est nécessaire d’assurer une charge hydrostatique sur le lit. Cette charge, fonction de la granulométrie et de la nature des matériaux, de la vitesse eau, varie généralement entre 0,1 à 0,2 m d’eau (filtre propre).

Le filtre se colmatant progressivement du fait du développement de la biomasse et de la rétention des matières en suspension, des lavages périodiques sont nécessaires. La durée normale d'un cycle est de 24 à 48 h. Le lavage se fait à contre-courant du fonctionnement normal. Les techniques de lavage, comparables à celles appliquées en filtration sur sable, utilisent l'air et l'eau. Une première séquence (air seul) détasse le matériau, une seconde phase (air + eau) sert à entraîner les matières décro­chées vers la surface du lit, une troisième séquence (eau seule) évacue par siphonnage ces matières. On utilise comme eau de lavage l’eau traitée.

La quantité d'eau de lavage nécessaire est de 2 à 2,5 fois le volume de matériau lavé. La durée du lavage est de 20 à 30 mn. Les lavages peuvent être déclenchés soit à intervalles donnés par horloge, soit par sondes de niveau. L’automatisation du système est facile à réaliser. Après lavage, il reste une population bactérienne accrochée suffisante pour obtenir immédiatement une qualité d’eau traitée correspondant au régime établi.

Nature du support

Les divers matériaux utilisables possèdent des propriétés communes : ils développent une grande surface spécifique, possèdent une macroporosité importante, une densité apparente faible, et présentent une résistance élevée à l'usure mécanique. Ils ont un pouvoir absorbant plus ou moins important et doivent être propices à la fixation bactérienne.

Il existe deux grands types de matériaux :

1) charbons plus ou moins activés ; tous les charbons n'ont pas la même capacité de fixation bactérienne. L'efficacité semble davantage liée à des fonctions de surface qu’au degré d’activation ;

2) matériaux expansés ; ces matériaux expansés peuvent être dopés en oligo-éléments, qui ont une double action de fixation des micro-organismes et de sélection des espèces (biodamines) (2).

(2) Brevet O.T.V.-A.G.S.

Au niveau granulométrique, le choix est un compromis entre deux contraintes opposées : — une granulométrie faible pour obtenir une grande surface d'accrochage, — une granulométrie assez importante pour espacer la fréquence des lavages.

Les granulométries retenues pour le traitement des eaux usées urbaines sont de 2 à 5 mm.

Principaux avantages du procédé

Ces avantages sont dus :

— au matériau et à sa granulométrie qui autorisent simultanément : - une grande surface développée par unité de volume de matériau permettant la présence d'un nombre important de micro-organismes, - une bonne rétention des matières en suspension

— au rendement de transfert en oxygène exceptionnellement élevé au sein du lit.

Ces principaux avantages sont les suivants :

— absence de pré-saturation en air ou en oxygène, — absence de clarification finale, — qualité de l'effluent traité, notamment à faible teneur en matières en suspension (obtenue en une étape unique), — charges volumiques élevées applicables sur le procédé (et en conséquence le volume réduit des installations), — faible production de boues, — consommation énergétique réduite.

PROGRAMME DE RECHERCHE ET DE DÉVELOPPEMENT RÉALISÉ

Ce programme a été mené dans notre Centre de Recherche sur des maquettes de laboratoire pour l’aspect process, sur un pilote mobile de 1 m³ et sur un pilote à échelle industrielle construit sur le site de la station d’épuration de la Ville du Havre, pour l'aspect mise au point technologique.

Il couvre quatre années d’expérimentation.

Élimination de la pollution conventionnelle d'un effluent urbain (DBO - DCO - MEST)

Notre Centre de Recherche situé dans l'enceinte de la station de traitement des eaux usées de Colombes (près de Paris), est alimenté, par l’intermédiaire d'un réseau de canalisation, en eaux brutes, en eaux décantées primaires et en eaux épurées.

Pour une première phase d'essais, nous avons utilisé l'eau décantée primaire de cette station de Colombes, rejet essentiellement domestique, dont les caractéristiques principales sont les suivantes (en mg/l) :

La fraction soluble de la DCO est environ 50 % de la DCO totale.

Les expériences ont été menées sur des maquettes (figure 2). Au début des essais, nous avons travaillé avec une hauteur de matériau de 1,6 m, la section de la colonne est de 1 dm². Le premier matériau testé a été du charbon actif de granulométrie 2 à 5 mm.

Ce matériau avait été sélectionné en raison :

— de son pouvoir adsorbant sur la pollution organique, — de sa capacité de fixer des micro-organismes (figure 3), — de sa bonne résistance mécanique

Nous avons testé sur la maquette des charges hydrauliques de 1 à 5 m³/m²·jour, correspondant à des charges volumiques appliquées de 3 à 15 kg DCO/m³·j. Les schémas 4 et 5 montrent les bonnes performances réalisées par le procédé, même à très forte charge (10 à 15 kg DCO/m³·j).

Une seconde série d'essais

Une seconde série d'essais a consisté à explorer la même gamme de charges appliquées en utilisant un rejet plus concentré. Nous avons alors utilisé de l'eau décantée primaire de Colombes dont nous augmentions artificiellement les concentrations en DBO et DCO, par addition d'extraits de viandes, afin d'obtenir les caractéristiques suivantes (en mg/l) :

• DBO : 260 à 300
• DCO : 450 à 500
• MEST : 50 à 100
• NTK : 50 à 70
• N.NH4+ : 45 à 55

La DCO soluble représente alors 75 à 80 % de la DCO totale. Les rendements d’élimination sur la DCO restent supérieurs à 85 % jusqu'aux charges appliquées voisines de 12 kg/m³·j.

Nitrification

L'étude du processus de nitrification a été effectuée simultanément aux expérimentations précédemment décrites.

Le schéma 6 montre qu'il y a deux conditions à remplir pour obtenir le processus de nitrification :

• la charge polluante organique doit être inférieure à 4,5 kg DCO/m³,
• la charge azotée appliquée doit rester inférieure à 0,6 kg N/m³·j.

Dans ces conditions, on obtient des rendements d'élimination des formes réduites de l'azote de 80 à 90 %. Il est important de signaler que, contrairement aux boues activées, il n’y a, avec ce procédé, aucun risque de pertes de matières en suspension et de déconcentration de la culture, du fait de la nitrification. La mise en régime nitrifiant est plus rapide qu’avec un système conventionnel et elle est généralement obtenue sur un matériau neuf, 20 à 30 jours après mise en route de l'installation.

Traitement de rejets industriels

Diverses études furent réalisées sur des rejets industriels concentrés, tels que ceux des brasseries, parfumeries, confiseries. Il est possible de traiter ces rejets avec des charges appliquées de 6 à 10 kg DCO/m³·j. Un recyclage de l'eau traitée est nécessaire pour les rejets concentrés afin d'accroître la vitesse de percolation de l'eau et d'assurer une bonne diffusion de la pollution au sein du lit.

Il est connu que la particularité des eaux de brasserie ou de confiserie est d’induire généralement la formation d'espèces filamenteuses, rendant inefficace la décantation secondaire d’un traitement conventionnel par boues activées. La technique biocarbone qui fonctionne par espèces fixées permet d'éviter cet inconvénient.

Les concentrations en DCO résiduelle dissoute de l'effluent traité sont de plus, généralement inférieures de 20 à 40 % à celles d'un traitement conventionnel à faible charge.

Pour les effluents de brasserie, après la phase d'essais en laboratoire, l'étude financée par le Ministère de la Qualité de la Vie et l’Agence de Bassin Rhin-Meuse fut poursuivie durant six mois sur le site de la brasserie Kronenbourg à Obernai. Cet essai complémentaire avait pour but d'étudier la réponse du système aux fluctuations importantes de pollution du rejet à traiter.

Les résultats obtenus furent satisfaisants et, pour une charge appliquée moyenne de 6 à 7 kg DCO/m³·j (4 kg DBO/m³·j), sont les suivants :

Comparativement, pour éviter le bulking (foisonnement de micro-organismes filamenteux) la station par boues activées existante fonctionne à une charge massique de 0,1 kg DBO/kg MESV·j, avec une concentration de 3,5 g/l MESV, soit à charge volumique de 0,35 kg DBO/m³·j et en conséquence nécessite, pour traiter le même débit de rejet, un volume de cuve d'aération 11 fois plus important que le biocarbone. Elle nécessite également un clarificateur secondaire dimensionné pour fonctionner en pointe à une vitesse hydraulique de 0,4 m³/m²·h, tandis que le procédé biocarbone fonctionne sans clarification finale.

Recherche de nouveaux matériaux supports

Le charbon actif étant un support très onéreux (3 000 à 4 500 F le m³), nous avons recherché des matériaux de substitution pour constituer le lit. Les travaux réalisés en France concernant l'accrochage bactérien sur des argiles ont servi pour concevoir des nouvelles argiles expansées appelées Biodamines. Ces argiles ont une structure poreuse externe et sont préparées en ajoutant lors de la cuisson certains éléments favorisant l'accrochage bactérien. Après mise au point du matériau, nous avons expérimenté le procédé biocarbone avec un lit constitué de Biodamines. Les résultats obtenus sont voisins de ceux obtenus avec le charbon activé. On obtient cependant à charge appliquée égale, une efficacité légèrement inférieure pour les paramètres de la pollution carbonée (DCO-DBO). La figure 4 montre comparativement les résultats obtenus pour le charbon activé et pour la Biodamine en élimination de la DCO, à charge appliquée identique. Les qualités de traitement en rétention des matières en suspension et en nitrification sont rigoureusement identiques.

Ces résultats montrent que le processus biologique se développe correctement dans le lit de Biodamine. La photographie de la figure 7 confirme les bonnes propriétés d’accrochage sur la Biodamine. Ce matériau est trois à quatre fois moins onéreux que le charbon activé en grains.

Développement du procédé sur l'unité du Havre

À la suite de ces résultats très satisfaisants, l'Agence de Bassin Seine-Normandie et la Ville du Havre décidèrent, la première de financer, la seconde de construire une unité de traitement conçue selon

Le procédé dans le but de produire de l'eau utilisable par les industries voisines (figures 8 et 9).

L'Agence de Bassin souhaitait ainsi vérifier les performances du procédé à échelle industrielle.

L'unité fut construite sur le site de la station d'épuration de la Ville du Havre. Elle comprend quatre cellules qui ont chacune 4,2 m de long et 1,8 m de large. La hauteur totale à partir des planchers filtrants est de 3,35 m. Ces planchers filtrants sont équipés de crépines qui ont pour rôle de drainer l'eau traitée lors du fonctionnement et de permettre le passage de l'eau et l'air lors des phases de lavage. Une grille de distribution d'air process permet de fournir l'air nécessaire.

Sous les cellules sont placés des réservoirs en série servant, le premier de réserve d'eau pour effectuer les lavages, le second de bac de contact pour la chloration, les deux autres de réserve d'eau avant distribution sur le réseau d'eau industrielle.

Sur l'avant des filtres, une construction à trois niveaux comprend :

• — au sous-sol le local des machines avec pompes et surpresseurs d'air,
• — au rez-de-chaussée, le local technique avec l'armoire de commande, l'automatisme, l'équipement de contrôle, les circuits hydrauliques et les vannes automatiques,
• — sur la terrasse les circuits d'arrivée d'eau et un accès au sommet des quatre cellules.

Les quatre cellules peuvent fonctionner de façon indépendante, soit sur eau décantée primaire, soit sur eau épurée de la station par boues activées.

Cette unité fonctionne depuis 2 ans. Les problèmes rencontrés à la mise en service furent d'ordre technologique :

• — définition de la grille d'insufflation d'air process permettant un transfert correct, en chaque point

• du filtre, de l'air nécessaire aux réactions biologiques,
• — définition du plancher filtrant permettant de réaliser des lavages efficaces.

La technique de lavage, adaptée des techniques d'eau potable, testée au préalable sur nos maquettes de laboratoire, a été avec succès appliquée à cette échelle industrielle. Après la mise au point technologique, différentes expérimentations menées sur eau décantée primaire ou sur eau épurée ont permis de retrouver les résultats obtenus sur les maquettes de laboratoire, soit en élimination de la pollution, soit en nitrification.

La figure 10 montre les caractéristiques entrée-sortie en DCO lors d'un fonctionnement en traitement secondaire.

Cette unité a permis, outre la mise au point technologique du procédé à échelle industrielle, de définir certains paramètres que seule cette échelle permet d’évaluer :

• — besoins en air : 25 à 30 m³ air/kg DCO éliminée (hors nitrification),
• — boues produites : 0,3 à 0,35 kg MEST/kg DCO éliminée,
• — consommation énergétique (y compris un lavage par jour) : 0,14 kWh/m³ d'eau traitée, 0,04 kWh/kg DCO éliminée, pour un traitement secondaire n’éliminant que la pollution carbonée ; 0,28 kWh/m³ d'eau traitée dans le cas d'un traitement secondaire nitrifiant ; 0,14 kWh/m³ d'eau traitée en traitement tertiaire nitrifiant.

L'unité du Havre, en fonctionnement homogène des quatre cellules alimentées en eau décantée primaire, permet de traiter la pollution de 5 000 habitants en élimination des pollutions conventionnelles ou 2 500 hab. en nitrification.

Une unité comparable dans ses dimensions vient d’être mise en service sur la plate-forme de Colombes pour le compte du SIAPP. D'autre part, cinq installations sont actuellement en cours de réalisation :

• — Le Touquet (40 000 hab.) et Hochfelden (35 000 hab.), essentiellement eau de brasserie, pour l’élimination de la pollution carbonée,
• — Soissons et Grasse (respectivement 40 000 et 50 000 hab.) pour l’élimination de la pollution carbonée et la nitrification,
• — Valbonne (25 000 hab.) pour l’élimination des pollutions carbonées et azotées : nitrification - dénitrification.

La station de Soissons, première installation à grande échelle, doit fonctionner en nitrification et sera mise en service au début du premier semestre 1982.

CONCLUSION

L'efficacité des systèmes biologiques utilisant des biomasses fixées est maintenant reconnue. Ces systèmes sont utilisés non seulement pour le traitement des eaux mais également dans les procédés industriels de fermentation. Ils ont été mis en œuvre suivant différentes formules qui, jusqu’à présent, n'avaient pas résolu de façon correcte le problème de la satisfaction des besoins en oxygène de la biomasse : le plus souvent l’oxygène était transféré dans l'eau à traiter avant son passage dans le réacteur biologique, et à moins de procéder à un très grand nombre de passages, on était amené à utiliser l'oxygène pur ou l'air enrichi avec les contraintes économiques correspondantes. D’autre part, le problème des matières en suspension n’était pas toujours résolu, notamment dans le cas des lits fluidisés avec courant ascendant où il y avait lieu de procéder à une séparation de trois phases : eau épurée, boues en excès, matériau support.

Le procédé Biocarbone, avec son introduction d'air naturel au sein du lit et sa couche inférieure de finition, résout parfaitement ces problèmes. Par ses performances, sa compacité et sa facilité d'exploitation, il constitue une avancée spectaculaire du traitement biologique appliqué au traitement des eaux.