Prétraitement à l'oxygène pur des matières de vidange. le procédé Vidoxa

B. JAMONET

Chef du domaine Traitement des Eaux

Centre de Recherche et de Développement de GRENOBLE

L’AIR LIQUIDE

J.-P. DAUTAIS

Délégué Général

CEREDE *

Conférence présentée au Salon POLLUTEC 1980

LE PROBLÈME DES MATIÈRES DE VIDANGE :NATURE ET IMPORTANCE

L’assainissement individuel par fosses septiques, fosses étanches ou mini-stations d’épuration s’avère indispensable dans le cas d’un grand nombre d’habitations éloignées des agglomérations et qui ne peuvent pas de ce fait être raccordées au tout-à-l’égout.

Ces unités nécessitent des vidanges fréquentes dans le cas des fosses étanches et des extractions de boues périodiques pour les fosses septiques et les mini-stations. Ces travaux sont en général réalisés par des entreprises de vidange qui assurent ensuite elles-mêmes et de façon plus ou moins légale l’élimination des matières collectées.

À ce titre, un inventaire, datant d’avril 1977, fait apparaître que le volume de matières de vidange annuellement collecté sur le territoire de l’Agence de Bassin Rhône-Méditerranée-Corse se situe au voisinage de 570 000 m³. Quant au volume annuel généré sur le territoire de l’Agence de Bassin Loire-Bretagne, il est estimé à 1 000 000 m³. La production au niveau national se situerait pour sa part aux environs de 5 millions de m³ par an.

Une circulaire interministérielle datant de 1978 recommande l’élaboration de schémas départementaux d’élimination des matières de vidange devant conduire à la mise en place de solutions concrètes tant au niveau de la collecte que du traitement. Le nombre, la localisation ainsi que la nature des unités de traitement doivent être déterminés et ce dans un souci permanent d’adaptation aux contraintes géographiques et économiques locales.

Compte tenu du caractère particulier des matières de vidange et des difficultés fréquemment rencontrées lors de leur introduction dans des stations d’épuration conventionnelles, le problème du choix d’un mode de traitement particulier se pose dès lors avec encore plus d’acuité.

LES CARACTÉRISTIQUES DES MATIÈRESDE VIDANGE BRUTES

L’origine des matières collectées étant très variable (fosses fixes, fosses septiques, trappes à graisses), il en résulte d’un échantillon à l’autre des différences considérables dans les caractéristiques physico-chimiques.

Sur des matières de vidange collectées durant vingt-deux semaines consécutives dans la région nantaise, les valeurs moyennes hebdomadaires suivantes ont été relevées :

pH = 6,5 à 7,5
DCO = 3 400 à 29 800 mg/l
DBO₅ = 1 100 à 9 300 mg/l
MES = 1 200 à 20 000 mg/l
Azote ammoniacal = 1 000 à 1 800 mg/l
Azote total (Kjeldahl) = 1 300 à 2 600 mg/l

Quelle que soit leur provenance, les matières de vidange se caractérisent toutefois toujours par :

— une forte teneur en matières colloïdales hydrophiles peu ou pas du tout décantables,

— un pouvoir réducteur élevé occasionnant une importante demande immédiate en oxygène.

* Centre d’Essais et de Recherche sur les Équipements de Dépollution des Eaux.

PRINCIPAUX MODES DE TRAITEMENTET DE PRÉTRAITEMENT EXISTANTS

1. Traitement.

Les techniques de traitement actuellement mises en œuvre demeurent le plus souvent très rudimentaires :

— l'épandage agricole reste la solution la plus simple, mais ne peut pas être pratiqué pendant certaines périodes de l'année ; — l'introduction en tête de station d'épuration urbaine demeure délicate au niveau des stations de petites et moyennes importances du fait des fréquentes perturbations engendrées sur le fonctionnement du traitement biologique ; — le recours à la déposante équipée de lits de séchage est assez exceptionnel. Une déposante nécessite de grandes surfaces de terrain ; de plus elle est souvent la source d'odeurs nauséabondes du fait des fermentations des boues.

Hormis le rejet en station, les autres méthodes envisagées ci-dessus peuvent présenter des risques non négligeables de pollution du milieu naturel.

Des techniques de traitement plus sophistiquées ont toutefois fait l'objet plus récemment d'essais au laboratoire ou sur pilotes semi-industriels. Nous ne citerons que les principaux essais réalisés à ce jour :

— déshydratation mécanique par filtration sur filtre à bande, — introduction directe en digestion anaérobie ou en digestion aérobie, — traitement biologique à l'oxygène pur, — compostage mixte avec des ordures ménagères.

La plupart de ces techniques se sont révélées efficaces, mais ne peuvent être mises en œuvre qu’au niveau d’unités importantes où seraient centralisées les matières provenant de différents points de collecte. Un tel schéma, s'il est applicable dans le cas de certains départements, demeure irréalisable dans d'autres. En effet, compte tenu des contraintes géographiques, le traitement doit souvent être réalisé à proximité des lieux de production (moins de 20 km), faute de quoi les coûts de transport risqueraient de s'avérer prohibitifs. C'est donc un traitement adapté aux possibilités locales qui doit être envisagé.

2. Prétraitement.

Parallèlement à ces techniques de traitement se développent les techniques de prétraitement qui permettent la séparation préalable sous forme de boues de la fraction floculable des matières de vidange. Le surnageant, après décantation, issu du prétraitement, peut être ensuite traité au niveau d'une station d'épuration conventionnelle sans créer de perturbation. Quant aux boues, elles sont épandues ou déshydratées dans une chaîne classique de traitement.

Deux techniques ont à ce jour fait l'objet de développement au stade industriel :

— le prétraitement par voie physico-chimique mettant en œuvre une réaction de précipitation calco-carbonique ; — le prétraitement par voie biologique à l'oxygène pur : ce procédé a été mis en œuvre à l'échelle industrielle (capacité nominale : 20 m³/j de matières de vidange) sur le site du CEREDE à Nantes. Les essais ont été réalisés de février à juillet 1980 avec le concours financier de l'Agence de Bassin Loire-Bretagne et du Ministère de l'Environnement.

DESCRIPTION DU PROCÉDÉ DE PRÉTRAITEMENTÀ L'OXYGÈNE PUR

1. Principe.

Ce prétraitement consiste en une floculation biologique sous atmosphère enrichie en oxygène pur, suivie d'une séparation par décantation du floc. Cette floculation-décantation s'effectue sans recyclage de boues. Ce prétraitement permet d’obtenir :

— d'une part, un surnageant ne renfermant qu'environ 10 % à 15 % de la charge polluante initiale et pouvant être introduit en tête de station, — d’autre part, une boue résiduaire renfermant une teneur élevée en matières sèches et pouvant être traitée dans une unité conventionnelle de conditionnement et de déshydratation mécanique.

2. Description de l'installation mise en œuvre sur la plateforme du CEREDE à Nantes. (Figure n° 1).

Elle se compose des éléments suivants :

• – une fosse de dépotage d’un volume de 75 m³ munie d'un dégrillage et d'un dispositif de brassage,
• – une pompe d’alimentation de la cellule d'oxygénation,
• – une cellule d'oxygénation constituée de :
  • * une cuve en acier d'un volume utile de 17 m³,
  • * une turbine de surface (puissance installée = 4 kW) assurant le transfert d'oxygène au sein de la masse liquide, et dont la vitesse est régulée par un convertisseur statique de fréquence,
  • * un système d'admission de l'oxygène dans la phase gazeuse (électrovanne + régulateur de pression du type Ministabigaz),
  • * une vanne de purge automatique de la phase gazeuse,
  • * une chaîne de mesure et régulation de la teneur en oxygène de la phase gazeuse (par commande des vannes d’admission d'oxygène et de purge),
  • * une chaîne de mesure et régulation de la teneur en oxygène dissous (par modification de la vitesse de rotation de la turbine), (Documents L'Air Liquide)
• – un décanteur en acier d'un volume utile de 7 m³ et d'une surface de 4,9 m², muni d’une vanne motorisée permettant une extraction automatique séquentielle des boues,
• – un tableau de contrôle regroupant les organes de commande électrique, de réglage des débits d’admission de l'oxygène et de régulation.

CARACTÉRISTIQUES DE FONCTIONNEMENT

1. Fonctionnement général

Les matières de vidange brutes, stockées dans la fosse de dépotage, sont introduites en permanence dans la cellule d’oxygénation sous un débit continu d’environ 0,83 m³/h (20 m³/j).

Les matières brutes ainsi injectées sont soumises durant environ 18 heures à un brassage favorisant le transfert de l'oxygène depuis la phase gazeuse enrichie jusqu’à la masse biologique active. Ce transfert, à partir d'une phase gazeuse renfermant des teneurs en oxygène de l'ordre de 40 à 60 %, permet de maintenir dans la masse biologique une concentration en oxygène dissous d'environ 10 à 25 mg/l.

Dans ces conditions, l'apport intensif d'oxygène satisfait, à la fois, à la demande immédiate des composés fortement réducteurs présents dans les matières de vidange et aux besoins des micro-organismes aérobies initiateurs des phénomènes de bio floculation.

Le soutirage en continu des « matières traitées » s’effectue au niveau d’un déversoir assurant leur dégazage ; elles sont ensuite dirigées vers le

décanteur où s'opère la séparation entre le surnageant et les « boues ».

2. Fonctionnement de la régulation. (Figure 2).

Le dispositif de régulation, équipant la cellule d'oxygénation, est double puisqu'il est constitué d'une mesure et régulation de la teneur en oxygène dans la phase gazeuse associée à une mesure et régulation de la concentration en oxygène dissous dans la masse liquide.

a) Régulation de l’oxygène en phase gazeuse.

Elle est réalisée à partir de deux paramètres :

• — la pression dans la phase gazeuse maintenue entre 8 et 10 mb par le ministabigaz,
• — la teneur en oxygène dans la phase gazeuse maintenue entre deux valeurs de consigne (point haut = PH, point bas = PB).

Dans ces conditions, l'ouverture et la fermeture des électrovannes d'admission d’oxygène et de purge s'effectuent selon les modalités suivantes :

Le contrôle exercé par le ministabigaz sur la pression régnant dans la cellule d’oxygénation interdit l’admission d'oxygène lorsque cette pression est supérieure à 10 mb, et ce quand bien même l'électrovanne d’admission d'oxygène est ouverte. La phase gazeuse s'enrichissant en gaz parasite (essentiellement du CO₂, généré par l'activité biologique), il s'ensuit un appauvrissement de la teneur en oxygène jusqu’au point de consigne bas, déclenchant l'ouverture de l'électrovanne de purge et l'abaissement de la pression de la phase gazeuse. Cet abaissement de pression entraîne à son tour l'ouverture du ministabigaz et l'enrichissement de la phase gazeuse en oxygène jusqu’au point de consigne haut commandant alors la fermeture de l'électrovanne d’admission d'oxygène.

Ce dispositif permet d'assurer le maintien d’une phase gazeuse relativement stable, quelle que soit la demande en oxygène dans le réacteur.

b) Régulation de l’oxygène dans la masse liquide.

Elle est réalisée à partir d'une mesure de la teneur en oxygène dissous, laquelle commande directement la vitesse de rotation de la turbine (en agissant sur le convertisseur de fréquence).

De cette façon, l'énergie de brassage est en permanence adaptée au transfert gaz-liquide requis pour assurer le maintien d'une teneur élevée en oxygène dissous, et ce pour des consommations en oxygène par la biomasse extrêmement variables.

PERFORMANCES DE L'INSTALLATION

1. Suivi analytique.

Les analyses suivantes ont été effectuées régulièrement par le laboratoire départemental d'hygiène de Loire-Atlantique sur :

— les matières de vidanges brutes et le surnageant après décantation (prélèvement automatique d'échantillons moyens journaliers) :
  * DBO₅ (Demande biologique en oxygène à 5 jours),
  * DCO (Demande chimique en oxygène),
  * MES (Matières en suspension),
  * Azote total (Kjeldahl),
  * Azote ammoniacal ;

— les boues issues de la décantation :
  * matières sèches,
  * pourcentage de matières organiques,
  * résistance spécifique à la filtration et facteur de compressibilité (3 séries de mesures) ;

— les matières actives dans la cellule d’oxygénation :
  * matières en suspension,
  * pourcentage de matières organiques,
  * indice de Mohlmann.

Les paramètres d'exploitation de l'installation ont été mesurés et enregistrés en permanence :

— Débit d'admission des matières de vidanges brutes.  
— Teneur en oxygène dissous dans la masse liquide du réacteur.  
— Débit d'oxygène pur admis sur le réacteur.  
— Débit de gaz de purge.  
— Teneur en oxygène dans la phase gazeuse du réacteur.  
— Teneur en gaz carbonique dans la phase gazeuse du réacteur.

2. Rendement épuratoire.

Les résultats obtenus sont donnés au tableau ci-après. Il s'agit des moyennes hebdomadaires des analyses effectuées durant 21 semaines consécutives d'essais.

RENDEMENT ÉPURATOIRE (MOYENNES HEBDOMADAIRES)

Il est à noter que durant les dix premières semaines, l’extraction des boues du décanteur était réalisée manuellement et de façon irrégulière, occasionnant de fréquents départs de boues dans le surnageant ; ceci se traduisait par d’importantes variations dans les rendements épuratoires, surtout au niveau des matières en suspension. Le montage d’une vanne d’extraction automatique à partir de la onzième semaine a permis de pallier cette anomalie.

Les dosages sur la pollution azotée réalisés sur une période de un mois ont donné les rendements moyens d’élimination suivants :

• — ammoniaque (NH₄⁺) = 14 %,
• — azote total = 22 %.

Les mesures effectuées dans le même temps sur les graisses conduisent à un rendement moyen d’élimination de 95 %.

Le floc obtenu en cellule d’oxygénation est de taille moyenne ; il possède une bonne aptitude à la décantation (Indice de Mohlmann de 40 à 60) pour une concentration moyenne en matières en suspension de 5 à 8 g/l.

3. Production de boues.

Le volume de boues produites représente environ 50 % de la quantité de matières de vidange brutes traitées.

Ces boues atteignent une concentration moyenne de 30 g/l et contiennent 75 % de matières organiques.

Leurs caractéristiques s’avèrent analogues à celles de boues mélangées fraîches :

• — coefficient de filtrabilité sous une pression de 0,5 bar : r = 10⁹ à 10¹³ cm/g,
• — facteur de compressibilité : s = 0,7 à 1,1.

Les boues ainsi produites peuvent donc être dirigées sur une chaîne conventionnelle de traitement (conditionnement et déshydratation mécanique).

4. Consommation d’oxygène.

La consommation d’oxygène s’avère variable suivant la nature et l’origine des matières de vidange traitées. Ainsi, il apparaît que les matières issues de fosses étanches ont une demande immédiate en oxygène supérieure aux boues de vidange de fosses septiques.

Des expériences conduites en Italie et à Nantes ont permis de tirer les éléments suivants :

• — Essais de Rimini (Italie) (février-mars 1979) :
  • * nature des matières : boues de vidange de fosses septiques essentiellement,
  • * consommation d’oxygène : 2,5 kg/m³ de matières traitées.
• — Essais de Nantes (février à juillet 1980) :
  • * nature des matières : 75 % vidange de fosses étanches + 25 % boues de vidange de fosses septiques + 5 % vidange de pièges à graisse et divers (résidus d’équarrissage de poissons),
  • * consommation d’oxygène : 7,2 kg/m³ de matières traitées.

Compte tenu de la nature des matières de vidange les plus communément collectées en France (mélange, vidange des fosses septiques), une consommation d’oxygène de l’ordre de 7,2 kg/m³ de matières traitées constitue une estimation réaliste.

CONCLUSION

Le procédé de prétraitement des matières de vidange à l’oxygène pur mis au point par l’Air Liquide et testé sur la plate-forme du CEREDE à Nantes apporte une solution rationnelle au délicat problème de l’élimination des matières brutes collectées.

Après passage dans la cellule d’oxygénation, les matières brutes doivent être décantées séparément ou bien introduites directement en tête de décantation primaire ou, mieux, au niveau d’un épaississeur à boues. Le surnageant issu de la décantation et envoyé sur le traitement biologique n’occasionne alors qu’une surcharge réduite : 10 à 15 % de la charge initiale représentée par les matières brutes.

De par son aptitude à traiter des effluents fortement concentrés et sa stabilité face à d’importantes variations de charge, ce procédé devrait trouver son application dans les stations d’épuration de petite et moyenne importance (5 000 à 30 000 équivalents-habitants) choisies, compte tenu de leur situation géographique et de leur état de charge, comme centre d’élimination des matières de vidange.