Ten years after : les biofiltres aérés à l'heure européenne

Le procédé

Le principe du Biocarbone s’apparente à la filtration rapide sur sable, mais se distingue par l’introduction d’air dans la partie inférieure du filtre et par l’utilisation d’un matériau plus grossier. Les grains retiennent les matières en suspension tout en favorisant le développement à leur surface d’un biofilm (figure 1), ce qui permet de combiner la dégradation des matières organiques polluantes et la clarification en un seul réacteur. Le lit granulaire est constitué de grains de schiste expansé dont le diamètre varie suivant l’objectif à atteindre. Le filtre est immergé par un courant d’eau brute descendant ; et une aération à contre-courant assure le transfert d’oxygène. Une rétention importante des matières en suspension a lieu dans la partie haute du filtre. Un lavage à contre-courant, déclenché périodiquement par un automate, permet de gérer le colmatage (4).

Exemples d’application

Traitement secondaire

La plupart des stations équipées d’un Biocarbone obtiennent des objectifs de qualité classiques pour le traitement secondaire : entre 15 et 30 mg/l pour la DBO et les MES. Un cas typique illustrant le faible encombrement de ce procédé et son insertion dans le tissu urbain est décrit ci-après.

La station de Meyzieu (près de Lyon) traite un débit moyen de 7 000 m³/j avec une charge de DBO de 1 400 kg/j pour une population de 35 000 équivalents-habitants (e.h.). Cette usine est intégrée dans un bâtiment industriel et l’air y est traité par lavage chimique en tour garnie (figure 2). Les ouvrages se situent à l’emplacement d’anciens lits bactériens (figure 3).

Le développement urbain avait rattrapé cet emplacement jadis éloigné des habitations, et la capacité de traitement n’était plus suffisante. Afin d’éviter le repompage des effluents dans un nouveau site, il fallut trouver des moyens de mettre à niveau l’usine pour des objectifs de qualité plus sévères et une charge supérieure, tout en évitant toute nuisance au voisinage.

Dans le cadre des transformations réalisées à cet effet, l’eau brute, après dégrillage (au travers d’une grille à barreaux espacés de 20 mm), dessablage et déshuilage dans un lit de sable aéré, traverse un décanteur primaire lamellaire. L’effluent primaire décanté est dirigé sur quatre filtres Biocarbone comportant 360 m³ de matériau. Le dispositif est entièrement piloté par un système expert.

Depuis la mise en service de la station en 1988, différentes campagnes de mesures sur 24 h ont été effectuées, dont les résultats sur quatre profils sont présentés sur la figure 5. Alors que le débit moyen à traiter est de 300 m³/h, il arrive que l’on atteigne des débits de pointe deux fois plus intenses.

Les débits et concentrations qu’on relève à l’entrée du système ne tiennent pas compte des retours du lavage des filtres et de déshydratation des boues, or, ces flux peuvent constituer une grande partie des charges.

• * Anjou Recherche.
• ** GWP-General Water Processes Ltd., Royaume-Uni.
• *** OTV de Energias y Medio Ambiente, Espagne.
• **** ENVITEC, Danemark.

Traitée par l'usine au début des périodes de faible débit, ce qui explique qu'à ce moment, l'effluent décanté peut être plus concentré que celui qui arrive en début de la chaîne. Malgré des charges très variables, l'effluent après décantation se stabilise autour de 600 mg de DCO/l. La valeur résiduelle après passage dans le biofiltre se stabilise en dessous de 90 mg/l, avec des rapports DCO/DBO pouvant atteindre 10 en sortie.

Les valeurs résiduelles de DBO inférieures à 20 mg/l sont obtenues en moyenne journalière en dépit de vitesses de filtration pouvant atteindre 5 m/h et de pointes horaires s'élevant parfois à 30 kg de DCO/m²/j sur les filtres Biocarbone.

Les bactéries fixées se caractérisent par une rapidité de mise en service et par l'adaptabilité à des conditions variables grâce à la modularité des unités de filtration, ce qui fait du Biocarbone un procédé de choix sur les stations à forte fluctuation de population (5), comme dans les zones touristiques, lorsque l'insertion de la station dans un site sensible est importante (6).

La figure 5 montre la maquette de la station d'épuration d'Ibiza en Espagne. À l'image des ouvrages de Meyzieu, et pour éliminer toutes nuisances dans un environnement vacancier, les unités de traitement sont insérées dans un immeuble désodorisé : prétraitement, décantation lamellaire avec option physico-chimique (7), filtration Biocarbone, stabilisation et déshydratation des boues. La capacité de la station varie entre 40 000 e.h. en hiver et 100 000 en été.

Nitrification secondaire

En réduisant la charge carbonée sur le procédé Biocarbone et en augmentant l'aération, des bactéries nitrifiantes peuvent être fixées sur le support. La nitrification sur biofilm fixe offre de multiples avantages par rapport au procédé des boues activées : compacité, pas de contrainte d'âge de la boue, absence de foisonnement ou de lessivage de la biomasse.

Outre les réalisations de nitrification simultanée dans un biofiltre à Soissons et Lunéville (8), une cellule Biocarbone a été mise en œuvre à la station de Genève. Ce prototype de 28 m² comportant 2,50 m de hauteur de matériau est envisagé à l'échelle voulue, pour mettre à niveau la station avec une capacité de 900 000 e.h. sur une surface limitée. L'objectif final était de nitrifier pour obtenir un résiduel de moins de 3 mg N-NH₄/l à 12,5 °C.

Pendant une période d'hiver de trois mois le Biocarbone à Genève a fonctionné à une température moyenne de l'eau de 15 °C. Le débit du biofiltre étant modulé en fonction des variations de la station, la moyenne journalière se situait entre 1,5 et 2 m/h. Le facteur de pointe (ratio entre la vitesse moyenne et maximale) englobe également une plage de

1,5 à 2. La concentration de l’eau prétraitée par microtamis (150 microns) se situait autour de 300 mg de DCO/l et 25 mg de NTK/l.

La distribution des résiduels de pollution obtenue pendant cette période, qui se traduit par une charge appliquée de 5 kg/m² de DCO, est illustrée sur la figure 6. Alors que 50 % des échantillons ont une concentration inférieure à 2,5 mg de N-NH₄/l, les 95 % de conformité se situent au double de cette valeur. En condition de nitrification, la DBO et les MES en sortie sont très faibles : moins de 10 mg de MES/l et moins de 12 mg de DBO/l en moyenne, alors que la norme à atteindre était de 25 mg de DBO/l.

Nitrification tertiaire

Beaucoup d’essais-pilotes ont été menés pour la nitrification tertiaire et l'affinage d’un effluent secondaire, surtout en Angleterre (9), qui dispose d’un grand parc d’anciennes stations d’épuration. Dans cette configuration, on peut combiner une oxydation de l’azote aux objectifs tertiaires classiques de réduction poussée des matières en suspension, plutôt que d’enchaîner plusieurs étapes différentes.

L’étude la plus longue a été effectuée par la Ville de Paris sur une période de cinq ans (10), afin de tester les différentes possibilités de remise à niveau d’une des plus importantes stations européennes à boues activées située à Achères (capacité : 8 millions e.h.). La figure 7 rassemble les résultats des essais menés à cet effet à Colombes, sur un ouvrage industriel de 4 × 7,5 m², et les compare aux performances des pilotes de plusieurs centres d’essais en Angleterre (11, 12). L'ensemble des résultats encourageants et cohérents obtenus sur les différents pilotes est illustré sur cette même figure.

Une première réalisation en grandeur réelle – une mise à niveau tertiaire d’un lit bactérien existant – a été livrée clefs en main dans des containers métalliques par Biwater/OTV & North-Bierley (Yorkshire), pour une capacité de 50 000 équivalents-habitants.

Le Biocarbone tertiaire est alimenté par un effluent issu des clarificateurs. Une conformité à 95 % aux taux de 10/10/5 mg/l en résiduels DBO/MES/N-NH₄ est requise pour l’effluent final. Les filtres sont conçus pour des débits maximum journaliers de 10 000 m³, une charge de 400 kg DBO et de 150 kg N-NH₄. Six cellules de 22 m² ont été installées, le temps de séjour apparent dans le matériau est de 0,8 h en pointe.

Élimination de l’azote total

En mettant un biofiltre non aéré devant un Biocarbone aéré, une élimination de l’azote total à 80 % peut être envisagée à partir d'une eau issue de la décantation primaire. Le biofiltre non aéré est constitué sur une hauteur de 3 m en schiste expansé, dont la taille des grains varie entre 3 et 6 mm de diamètre.

Dans cette configuration, la colonne aérée contient 2 m de matériau de taille 2-5 mm. L’eau usée est nitrifiée dans le second réacteur et les nitrates sont recirculés dans le premier réacteur, où est ajoutée de l'eau décantée servant de source carbonée pour la dénitrification. On peut ajouter de l’éthanol si le rapport C/N de l’effluent à traiter ne permet pas d’atteindre les taux bas en nitrates requis. Les limites d’élimination de l’azote par le biais de deux filtres en série ont été testées à la fois à l’échelle du pilote et à l'échelle industrielle (13, 14). Depuis presque dix ans, un procédé similaire est utilisé en eau potable pour éliminer les nitrates (15).

Comme des résiduels très faibles sont demandés dans les pays nordiques, des tests sur pilote à très basse température ont été effectués. Avec une recirculation suffisante, on peut obtenir des concentrations en nitrates dans l’effluent de l’ordre de 5 mg/l même en dessous de 10 °C. La figure 8 représente un mois de résultats d’essais sur pilote à 20 °C pour obtenir des résiduels inférieurs à 10 mg/l en azote total avec un taux de recirculation de 4,5.

Actuellement, une usine équipée en Biocarbone pour 20 000 e.h. a démarré au Danemark pour obtenir une valeur d’azote total inférieure à 8 mg/l. Une usine réalisant l’élimination complète de l’azote avec biofiltre, mais dix fois plus importante que la précédente, est en construction à Lagny, dans l’Est de la Région Parisienne ; elle desservira en partie Euro-Disneyland en 1993 (16).

Un nouveau biofiltre adapté à l’élimination complète de l’azote : le Biostyr

Le Biocarbone est un procédé réalisé maintenant à grande échelle dans une vingtaine d’installations en France, une dizaine en Amérique du Nord (17), une soixantaine au Japon, et commence à faire son apparition chez les voisins européens, partout où des objectifs de traitement ambitieux doivent être atteints dans un espace réduit (18). Par exemple, des résiduels très faibles en phosphore (autour de 0,5 mg/l) sont obtenus au Québec (19).

Au Centre de Recherche de Maisons-Laffitte, des efforts sont menés pour rendre les traitements encore plus efficaces, surtout en vue de répondre aux nouvelles normes européennes d’épuration. Pour améliorer encore les biofiltres granulaires aérés et immergés, trois objectifs étaient prépondérants :

• – supprimer la pompe de lavage et l’appel élevé d’énergie instantané : la filtration ascendante sur matériau flottant permet de stocker en partie haute du réacteur l’eau de lavage, et une simple ouverture de vanne en partie basse permet alors d’obtenir une chasse rapide du filtre ;
• – mieux contrôler la taille des grains filtrants pour augmenter les performances : un matériau synthétique peut être maîtrisé dans sa taille et sa densité pour choisir la combinaison la plus efficace, la surface spécifique constituant un facteur important pour obtenir des performances de nitrification élevées ;
• – combiner en un seul ouvrage des zones anoxiques et aérobies : si une rampe d’aération est placée au milieu du lit de biofiltre ascendant, la partie basse en contact avec l’effluent pourra servir comme zone anoxique de dénitrification si les nitrates sont recirculés.

Description du Biostyr

De cette réflexion est né le filtre flottant sur polystyrène ou procédé Biostyr, illustré par la figure 9. Cette version du Biocarbone maintient les principes importants qui ont été arrêtés pour rendre fiable la maîtrise des biofiltres, et qui reste valables, bien que, dans cette configuration, le dispositif ait été inversé dans le sens vertical :

• – l'alimentation sans obstacles vis-à-vis des matières en suspension élevées en entrée ;
• – des crépines en contact uniquement avec l’eau déjà filtrée et épurée ;

• • une filtration dans le sens du tassement du matériau, donc en ascendant si le matériau est flottant ;
• • un lavage à contre-courant, donc évacuation rapide des boues par le chemin le plus court.

Démonstration au Danemark

En parallèle avec le développement industriel du procédé, des essais-pilotes ont été menés sur un site à Nyborg, au Danemark (15 000 m³/j, 60 000 e.h.), où une décantation primaire devait être rendue conforme aux nouvelles normes de rejet en mer Baltique, incluant des résiduels très faibles sur l'azote et le phosphore. Un pilote de 0,5 m² y a été exploité pendant un an pour confirmer la faisabilité du Biostyr et vérifier les conditions sous lesquelles l'objectif de 8 mg NGL/l pouvait être atteint.

Les résultats de l'essai sont rassemblés dans la figure 10. La température de l'eau a évolué de 15 °C en été à moins de 10 °C en hiver, en parallèle avec une dilution de l'influent. Les charges apparentes (flux d’entrée de NTK sur la zone aérée, et flux d’ammoniaque éliminé sur l'azote anoxie) évoluent entre 0,5 et 1,5 kg N/m² j. La qualité moyenne de l’effluent reste en dessous de la norme des 8 mg/l, sauf pendant quelques jours où l'eau comportait de fortes teneurs en nitrates (> 10 mg N-NO₃⁻/l).

La vitesse de filtration, y compris dans la recirculation, variait entre 8 et 10 m/h pour un débit d'alimentation relativement constant, donnant un temps de contact apparent de l'eau avec le lit biologique de 2 h pendant tout l'essai. Les résiduels de DBO et de MES se maintenaient à la limite de détection, soit entre 5 et 10 mg/l.

Ces essais, menés par la commune de Nyborg en association avec un consultant indépendant, ont abouti à la construction d'une station Biostyr, dans laquelle dix cellules de 63 m² sont prévues en phase finale. La surface des biofiltres est comparable au décanteur primaire existant, les vitesses de décantation primaire et d’alimentation du biofiltre étant voisines. Les surfaces nécessaires pour atteindre les normes européennes se réduisent donc à 0,01 m²/e.h. dans le réacteur biologique, alors qu’elles sont dix fois plus élevées dans des stations classiques (20).

Conclusion

À l'heure où les nouvelles normes européennes pour le traitement des eaux usées imposent des objectifs de qualité élevés, l'application des biofiltres aérés s'internationalise, et le procédé Biocarbone est de plus en plus utilisé pour l'épuration secondaire, pour la nitrification ou le traitement complet de l'azote. Il permet une installation très compacte, ce qui facilite la mise à niveau d'usines existantes sur site restreint et l’intégration des ouvrages dans l’environnement.

Un nouveau biofiltre aéré, le Biostyr, qui utilise un matériau synthétique flottant, augmente encore les performances tout en facilitant l’exploitation. Après démonstration sur site de sa capacité d’obtenir des normes de rejet conformes aux règles très strictes imposées au Danemark, les premières réalisations industrielles sont en cours en France et en Europe.

Bibliographie

1. (1) Rogalla, F., Payraudeau, M., Bacquet, G., Bourbigot, M.M., Sibony, J. et Gilles, P., 1990. — Nutrient removal with biological aerated filters. — JWPCF, 62, n° 2, pp. 169-176.
2. (2) Rogalla, F., 1990. — L’épuration par procédés à bactéries fixées, au Japon. — L’eau, l'industrie, les nuisances, n° 138, juin, pp. 43-45.
3. (3) Payraudeau, M. et Bontonou, J.-Y., 1990. — Traitement biologique à basse température selon un procédé de filtration biologique aéré : le Biocarbone. Comparaison avec un procédé classique. — Techniques, Sciences, Méthodes, juillet-août, pp. 395-400.
4. (4) Beutler, E. et Legrand, Ph., 1989. — Les systèmes experts dans les stations de traitement d’eaux usées. L'eau, l'industrie, les nuisances, n° 132, novembre, pp. 57-59.
5. (5) Rogalla, F., Roudon, G., Ravarini, P. et Bourdon, F., 1990. — Follow-up of aerated granular filters with on line sensors. — 5th ICA Workshop, Kyoto, July (pp. 89-96 in Adv. Wat. Pol. Ctr. 10, R. Briggs, Ed., Oxford, Pergamon).
6. (6) Gilles, P. et Sibony, J., 1990. — Industrial scale applications of fixed biomass reactors: Design and operational results. — Wat. Sci. Tech., 22, 1/2, pp. 281-292.
7. (7) Desbos, G., Laplace, Ch. et Rogalla, F., 1990. — Extended coagulation for reagent and space savings with wastewater lamella settling. Chemical Water and Wastewater

Treatment, H.H. Hahn and R. Klute Eds.,Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

(8) Sibony, J., 1984. — Applications à l'échelle industrielle des cultures fixées en matière d’épuration. — L'eau, l'industrie, les nuisances, juin, pp. 31-34.

(9) Smith, A.J., Hardy, P.J., Edwards, W.E. and Woods, C., 1989. — Biocarbone Process Evaluation. — Thames Water Annual Report, Project R 61.

(10) Paffoni, C., Gousailles, M., Rogalla, F. and Gilles, P., 1990. — Aerated Biofilters for Nitrification and Effluent Polishing. — Wat. Sci. Tech., 22, 7/8, pp. 181-189.

(11) Dillon, G. and Thomas, V., 1989. — Biocarbone Process for Treatment of Settled Sewage and for Tertiary Nitrification. — Wat. Sci. Tech., 22, 1/2, pp. 305-316.

(12) Lilly, W., Bourn, G., Crabtree, H. and Upton, J., 1989. — Production of high quality effluents using the Biocarbone process. — IWEM W. Midlands, October 10.

(13) Jimenez, B., Capdeville, B., Roques, H. and Faup, G.M., 1987. — Nitrification and denitrification process design using two fixed bed reactors in series. — Wat. Sci. Tech. (Proc. 13th Biennial IAWPRC Conf., Rio de Janeiro), 19, 1/2, p. 139.

(14) Gilles, P. and Bouron, Y., 1985. — Nitrification and denitrification with fixed bacteria (in French). — L'eau, l'industrie, les nuisances, juin, pp. 53-57.

(15) Ravarini, P., Couttelle, J., De Larminat, G. and Rogalla, F., 1990. — Biological nitrate and ammonia removal at large scale. — JIWEM, 4, 4, pp. 319-329.

(16) Rogalla, F., Payraudeau, M., Sauvegrain, P., Sibony, J., 1991. — Reduced hydraulic detention time for complete nutrient removal with innovative biological reactors. — Wat. Sci. Tech., 24 (North Sea Pol. Conf., Amsterdam, Sept. 1990).

(17) Stensel, H.D., Brenner, R.C., Lee, K.M., Melcer, H. and Rakness, K., 1988. — Biocarbone Aerated Filter Performance. — Env. Eng., ASCE, 3, June.

(18) Fuchu, Y., Kimura, H. and Tochikubo, E., 1990. — Advanced Sewage Treatment with the Biocarbone Aerated Filter. — 5th Filtration Congress, Nice, France, June.

(19) Kantardjieff, A., 1989. — The First Biocarbone Aerated Filter for Wastewater Treatment in Québec (in French). — Sciences et Techniques de l'Eau, 22, 1, pp. 73-82.

(20) Vachon, A., Naturale, G., Tondeux, P. and Bourdon, F., 1991. — La déphosphatation biologique des eaux usées. Illustration par l'expérience de Blois. — 71e Congrès AGHTM, Annecy, 15-19 avril.