Traitement biologique de l'azote et du phosphore dans les eaux usées - Expériences danoises

Les conséquences de plus en plus grandes que provoque l'eutrophisation des eaux de surface suscitent un intérêt grandissant en faveur de l'élimination des sels nutritifs qui y sont rejetés. Étant donné que les cours d'eau, les lacs et les mers ignorent les frontières, il s'agit non seulement d'un problème touchant chaque pays au niveau national, mais aussi d'un problème d'envergure internationale. C'est dans cette optique – entre autres – que la Commission de la CEE a élaboré une proposition de directive portant sur l'épuration des eaux usées communales, laquelle comporte des prescriptions générales. Pour ce qui est de l'azote, elle prévoit une concentration maximale autorisée de 10 mg d'azote par litre ; pour le phosphore, cette valeur ne doit pas dépasser 1 mg/l, et cela dans le cas où les eaux usées sont évacuées vers des zones sensibles qui connaissent des problèmes d'eutrophisation.

Il est vrai que la formule reste vague, mais étant donné que des problèmes de cette nature ont été constatés en Méditerranée, en mer du Nord, près des côtes bretonnes, et que des cas nouveaux se manifestent presque quotidiennement, il convient sans doute de se demander s'il ne vaudrait pas mieux s'assurer, comme exigence à adopter dès le départ et à chaque fois qu'il est question d'établir une nouvelle station d'épuration, que celle-ci puisse être modernisée facilement pour pouvoir éliminer l'azote et le phosphore. En effet, si une telle exigence n'est pas encore formulée, elle ne tardera sans doute pas à l'être dans un proche avenir !

Cette prise de conscience nationale a d'ailleurs été confirmée par les dernières Journées Nationales de l'Eau, ainsi que par le colloque « Eau et l'Agriculture » en mars 1990.

Principes

de l'élimination biologique

de l'azote et du phosphore

Nous nous bornerons ici à rappeler brièvement les principes en cause.

Élimination de l'azote

Cette opération est le résultat de la transformation du nitrate en azote libre par l'intermédiaire de bactéries, dans les cas où il n'y a pas d'oxygène libre (anoxie). Or, ce processus exige la présence de substances organiques : pour simplifier les choses, on peut dire qu'il requiert la présence de 4 à 5 kg de DBO pour l'élimination d'un kg d'azote, en fonction de sa composition (plus la décomposition de la substance organique est simple, plus le déroulement du processus est rapide).

Comme l'azote des eaux usées domestiques ordinaires – et bien souvent aussi celui des eaux résiduelles industrielles – se présente sous sa forme ammoniacale ou sous celle d'une combinaison organique (azote de Kjeldahl), il est indispensable de transformer au préalable cet azote en nitrate, transformation réalisée à l'aide de bactéries nitrifiantes en leur fournissant de l'oxygène dans des conditions aérobies. Ce processus conduit malheureusement à supprimer en même temps les substances organiques qui auraient pu servir par la suite pour la dénitrification. La mise au point des installations d'élimination de l'azote a pour but de compenser cet inconvénient de façon concrète, comme nous le verrons ci-après.

Élimination du phosphore

Pour réaliser cette élimination, il suffit d'accroître la quantité de phosphore contenue dans la boue excédentaire résultant du processus biologique, ce qui constitue la seule façon de la retirer du système.

Jusqu'à ces dernières années, la seule méthode permettant d’éliminer le phosphore

La méthode traditionnelle pour éliminer le phosphore consistait à ajouter des sels métalliques aux eaux usées afin de précipiter le phosphore dissous et de le fixer sur la boue. Cependant, on a pu constater qu'il existe des bactéries susceptibles d'accumuler des quantités de phosphore dans leurs cellules, sans qu'on ait besoin d'ajouter des produits chimiques dans leur milieu, à condition de créer les conditions favorables.

Le principe est le suivant (figure 1) : les micro-organismes accumulant du phosphore sont capables d'absorber de l'acide acétique, de l'acide propionique, ainsi que d'autres combinaisons moléculaires assez simples et du même type, dans des conditions aérobies. C’est un processus qui exige une certaine énergie, et seuls les micro-organismes qui accumulent du phosphore en ont un potentiel suffisant. En l'absence d'oxygène et de nitrate, le principe de l'élimination biologique du phosphore consiste donc à favoriser le développement de ces micro-organismes, en commençant le procédé par un prétraitement biologique dans un réacteur anaérobie. Le mécanisme global de ce processus dans une installation combinée servant à l'élimination des deux corps correspond donc à ce qu'indique la figure 1. La solution qu'apporte le système pour la suppression de l'azote est développée plus loin.

En créant des conditions idéales pour les bactéries accumulant cet élément, selon le processus ci-dessus, on arrive à accroître la teneur en phosphore de la boue excédentaire jusqu'à atteindre 4 à 6 %. L’ampleur de la réduction du phosphore (et donc le degré de qualité de l'eau purifiée) dépend de la concentration du phosphore dans l'eau traitée, de la production de boue excédentaire (rendement), ainsi que du rapport existant entre la DBO et le phosphore dans les eaux usées non traitées lorsqu'elles pénètrent dans le système. Les résultats obtenus peuvent être relativement peu élevés mais il n'en reste pas moins que la mise en place d'une élimination biologique du phosphore lors de la construction d'une installation de 100 000 EH permettrait de réaliser des économies de produits chimiques de l'ordre de 2 tonnes/jour (4,5 % de P dans les boues) en ce qui concerne le traitement des eaux usées domestiques ordinaires. À l'avenir, on peut s'attendre à ce qu'il soit possible d'obtenir une absorption de plus en plus importante du phosphore, s'ajoutant à la diminution de sa pollution par l'effet de la réglementation (lessives sans phosphate, par exemple) ; le graphique de la figure 2 illustre cette situation.

Sans entrer dans le détail des calculs, on peut mentionner qu'avec une norme de rejet d'environ 10 mg/l de N total, le taux de recirculation typique sera de 8 à 10 passages. Dans le cas d'une norme plus sévère (par exemple 8 mg/l), le taux de recirculation pourra atteindre 15.

Les installations utilisent habituellement le procédé des boues activées, mais depuis quelque temps on commence à faire appel aux filtres biologiques.

Des systèmes d’élimination biologique de l’azote

La recirculation

C'est probablement le type de système le plus connu. Il se compose de deux réacteurs, dont l'un est destiné au seul brassage et l'autre à l'aération (figure 3).

Si les eaux usées contiennent des nitrates, le premier crée d'excellentes conditions de dénitrification. Lorsque ce n'est pas le cas, on doit s'en procurer en faisant repasser les eaux usées en provenance du réacteur suivant, dans lequel le nitrate s'est formé par l'effet de l'aération. Le nombre de passages dépend de la teneur en nitrate de l'eau d'alimentation et de la concentration recherchée après traitement.

Les stations Bio-Denitro

Vers 1970 a été mis au point au Danemark un modèle très souple, fruit d'une collaboration avec l'Institut Technique Supérieur du Danemark : le procédé Bio-Denitro. Ce procédé, qui évite de faire recirculer l'eau entre le réacteur de nitrification et le réacteur de dénitrification (opération très onéreuse en énergie), consiste à utiliser deux réacteurs, chacun servant alternativement à la dénitrification et à la nitrification : le sens de l'entrée et de la sortie de l'eau varie en fonction du mode de fonctionnement de chaque réacteur.

La figure 4 présente le cycle le plus souvent adopté dans le traitement des eaux usées domestiques. L'opération de nitrification a lieu pendant 60 % de la période de fonctionnement, et la dénitrification se déroule pendant le reste du temps. Si le rapport DBO/P est plus défavorable, il est possible de modifier cette proportion, par exemple en faisant fonctionner les réacteurs chacun à mi-temps.

Dénitrification simultanée

Ce système permet de réaliser nitrification et dénitrification dans un seul et même réacteur, soit avec des zones anaérobies et anoxiques, soit par une alternance entre des fonctionnements anoxique et aérobie.

Autres systèmes

Les systèmes mentionnés ci-dessus sont de loin les plus répandus, mais il convient aussi de mentionner qu'il existe également un procédé dans lequel la nitrification constitue la phase initiale. La dénitrification qui lui succède est déclenchée grâce à l'adjonction de substances organiques, souvent sous la forme de méthanol. Il en résulte cependant une augmentation des coûts d'exploitation, ce qui fait qu'on applique généralement ce modèle à des types très particuliers d'eaux usées.

Comparaison sommaire

Le système de dénitrification simultanée est évidemment le plus attrayant sur le plan financier, mais son plus grand inconvénient réside dans le fait que, contrairement aux deux autres systèmes, il doit utiliser des eaux usées non traitées dans la phase de nitrification : une dénitrification totale n'est donc envisageable que si le rapport DBO/N est très favorable. C'est pourquoi ce procédé ne peut être mis en œuvre dans le traitement des eaux usées domestiques que si le taux N total des effluents ne descend pas au-dessous de 20 à 25 mg/l. Il convient de bien réfléchir avant d'adopter cette solution, car il serait onéreux de modifier la station le jour où des normes plus strictes seraient imposées.

Avec les procédés de recirculation et Bio-Denitro, on ne rencontre généralement pas de problèmes pour ramener les eaux usées domestiques à 8 mg/l de N total, à condition que la taille et le fonctionnement de la station soient bien ajustés. Le procédé de recirculation présente toutefois deux inconvénients : d'une part son coût d'exploitation accru lié à la technique utilisée et, d'autre part, son manque de souplesse. Les volumes anoxiques et aérobies ont en effet été définis une fois pour toutes et, contrairement au procédé Bio-Denitro, il n'est pas possible de les modifier en fonction de l'évolution de l'alimentation en eaux usées, soit au cours du temps, soit par exemple à l'occasion du raccordement d'une nouvelle entreprise industrielle au réseau. D'autre part, l'arrivée de grandes quantités d'oxygène dissous dans le réacteur anoxique risque d'avoir des incidences négatives si le rapport DBO/N est défavorable.

Le système de recirculation avec filtres présente l'avantage d'être très compact. Comme la durée du séjour à l'intérieur est très limitée, il convient de dimensionner l'installation pour une charge horaire maximale, ce qui se traduit par des coûts de construction assez importants, qui s'ajoutent au prix relativement élevé des filtres.

En outre, ces filtres requièrent des conditions relativement favorables en ce qui concerne le rapport DSO/N, car il est indispensable de pratiquer une décantation préalable afin d'éviter des problèmes de colmatage.

Élimination du phosphore

Quel que soit le système adopté pour la dénitrification, une station d'élimination biologique du phosphore comportera la mise en place d'un réacteur « anaérobie » en amont du système d’élimination de l’azote.

Expérimentation des procédés Bio-Denitro et Bio-Denipho

Au Danemark, dès le début des années 70, on a commencé à créer des stations d'épuration permettant d'éliminer l'azote. Au cours des 15 à 20 années qui ont suivi, ces installations, qui avaient été dimensionnées sur la base de règles partiellement empiriques, ont été peu à peu modernisées. Simultanément, les bases théoriques et techniques des différents processus mis en jeu ont été améliorées grâce à un important travail de recherche en collaboration avec l'ITSD. La fin des années 70 a aussi été marquée par une rapide évolution dans le domaine de l'élimination biologique du phosphore.

Plus d'une trentaine de stations d'épuration éliminant l'azote sont actuellement en service au Danemark. En raison de la réglementation concernant l'environnement maritime, un nombre nettement plus important de stations sont projetées et en cours de construction.

Une excellente banque de données a été élaborée pour rendre compte de façon très précise de l'expérience acquise grâce aux stations d'épuration existantes ; cette documentation est largement mise à contribution pour la construction des nouvelles stations, aussi bien en ce qui concerne leur dimensionnement que la mise au point des systèmes de gestion et des stratégies d'exploitation.

Le projet danois pour l'environnement maritime définit les normes suivantes pour les stations dont la capacité est supérieure à 5 000 EH, quel que soit le milieu récepteur : DBO < 15-20 mg/l, N total < 8 mg/l et P total < 0,5-1 mg/l.

ll en résulte que de nombreuses unités devront être réaménagées et agrandies; lors des études préalables il conviendra de répondre aux exigences des processus bio- logiques, afin que ceux-ci puissent se dérouler d'une manière satisfaisante. Les solutions devront être adaptées à chaque cas particulier, le point de départ des études variant en fonction de la composition des eaux usées, des installations existantes. Elles ne seront donc pas identiques pour deux stations appa- remment semblables.

Le système Bio-Denitro/Denipho, dont le principe a été défini ci-dessus, s'est avéré comme étant la solution optimale dans un grand nombre de situations, ainsi que nous le verrons ci-après.

Conception et exploitation de l'installation

L'installation se compose de deux réacteurs reliés entre eux par une conduite ou par une ouverture pratiquée dans la paroi qui les sépare (figure 4). Les réacteurs peuvent fonc- tionner par brassage et par alimentation en eaux usées lors de la phase de dénitrification, ou bien avec aération durant la phase de nitrification. Les eaux usées arrivent dans l’un des deux réacteurs après avoir traversé un distributeur mécanique, et l'évacuation se fait en alternance, par un déversoir réglable dont chacun des réacteurs est équipé.

C'est ainsi qu'on peut régler le sens du passage de l'eau entre le moment où elle pénètre dans le réacteur et celui où elle entre dans le décanteur secondaire, et ce à l'aide du distributeur et du déversoir. Cela permet une construction simple et une commande en souplesse de l'installation, ainsi qu'une très grande fiabilité.

L'aération peut être réalisée au moyen de rotors, de turbines, d'air comprimé... Dans ce dernier cas, il faut cependant se servir de membranes en caoutchouc pour éviter tout colmatage au moment de l'arrêt de l'aération, durant la phase de dénitrification. Un système très répandu au Danemark, adopté dans la grande majorité des stations Bio-Denitro, comporte des chenaux d'oxydation à aération par rotor, ce qui est particulièrement avan- tageux puisque ces chenaux sont construits à peu de frais et que les rotors constituent un équipement particulièrement efficace et fiable, garantissant un excellent brassage.

Jusqu'à une époque récente, on se servait des rotors aussi bien pour l'aération que pour le brassage; lors de la phase de dénitrification ils tournaient à vitesse réduite, ce qui per- mettait d’obtenir un brassage de bonne qua- lité, tandis que l'apport en oxygène se trouvait très diminué. Depuis quelques années, on fait de plus en plus appel à un brassage séparé, sous la forme d'agitateurs à hélice immergés (figure 5).

Ce phénomène est dû notamment aux exi- gences de la réglementation qui impose la diminution de la teneur en azote des effluents: or l'apport d'une faible quantité d'oxygène par le rotor tournant à vitesse réduite suffit pour qu’une dénitrification complète ne soit plus assurée (à moins que le rapport DBO/N ne soit très favorable). Il est également dû en partie à la consommation d'énergie plus importante du rotor par rapport à l'agitateur à hélice le brassage à faible vitesse du rotor requiert environ 10 à 15 W/m³, tandis que l'utilisation d'un agitateur à hélice permet de descendre jusqu’à 2 à 3 W/m³. Le choix de cette dernière solution permet ainsi de faire des économies d'énergie considérables, notamment pour les installa- tions d’une certaine importance.

Commande automatique et gestion des processus industriels

Les fonctions du répartiteur d'alimentation, des déversoirs d'écoulement, des dispositifs d'aération et des agitateurs comportent désor- mais une commande automatique grâce à des programmes adaptés à chaque installation.

Résultats

Eaux usées domestiques

Le tableau 1 donne un bref aperçu des performances relevées dans 17 stations danoises en matière d’élimination de l'azote. Il en ressort des résultats extrêmement variés, ce qui ne peut permettre de tirer des conclu- sions en raison des multiples facteurs qui entrent en ligne de compte. La seule conclu- sion qu'on peut en tirer en observant ces résultats c'est que ce sont les installations les mieux entretenues qui produisent les effluents les plus stables.

Le cas des trois stations dont les eaux traitées dépassent la teneur de 10 mg/l d'azote donne lieu à trois explications diffé- rentes :

• * la station de Skals a servi à des expé- riences et a été complétée par un réacteur anaérobie de prétraitement. Le problème résulte d'une part d'un taux de charge très faible, ce qui n'a guère facilité le maintien des conditions anoxiques, et d'autre part de la très forte teneur en azote organique difficilement décomposable (4,7 mg/l en moyenne, alors qu'elle est généralement de 1 à 2 mg/l);
• * la station de la ville de Faborg n'est pas gérée selon les principes habituels mis en jeu dans le procédé et elle n'est pas encore tenue d'éliminer l'azote. C'est la raison pour laquelle les variations de charge n'ont donné lieu à aucune modification de son fonctionnement.

Tableau 1

Résultats d’analyse des valeurs moyennes obtenues dans les stations d'épuration danoises

Légende BD Bio-Denitro, BOP Bio-Denipho. * Valeurs obtenues en 2ᵉ étape

Tableau II

Résultats d’analyse obtenus à la station d’épuration de Nørre Aaby(système Bio-Denipho)

+ Mise au point de la station. Aucun dosage ferrique. ++ Avril-octobre 1987. Dosage ferrique.

La station d’Odense est une installation à deux tranches, dont la charge n’atteint que le tiers de ce qui avait été prévu à l’origine : les eaux qui pénètrent dans la deuxième tranche contiennent donc très peu de substances organiques (rapport DBO/N inférieur à 2).

Eaux résiduelles industrielles

Les industries qui évacuent individuellement leurs eaux usées sont également tenues d’en éliminer l’azote. Plusieurs années d’expérience en matière d’épuration des eaux résiduelles sont déjà à l’actif des usines de produits d’alimentation du bétail. On est parvenu à y réduire la teneur en azote de plus de 400 mg/l à moins de 10 mg/l, dans des conditions d’exploitation soigneusement contrôlées, avec une quantité suffisante de substances organiques dans les eaux résiduelles. Il s’agit d’eaux usées relativement simples à traiter, à condition de régler avec précision le pH et d’éviter la formation d’acide lors de l’opération.

Le procédé permet également de traiter des types plus complexes d’eaux résiduelles produites par l’industrie chimique. Depuis deux ans environ, des expériences pilotes ont ainsi été entreprises pour le compte de la société Grindsted Products A/S, qui fabrique des additifs pour les industries agro-alimentaire et pharmaceutique. Plusieurs des substances contenues dans ces eaux résiduelles présentent un effet toxique pour les micro-organismes et sont relativement difficiles à décomposer.

Les expériences faites ont démontré que la vitesse de transformation de l’azote au sein de l’installation se trouve réduite de 40 % environ par rapport aux eaux résiduelles domestiques, mais qu’il est possible d’obtenir une élimination totale de l’azote susceptible de se transformer contenu dans les eaux résiduelles brutes. C’est ainsi que l’élimination de l’azote correspond à environ 300 mg/l, avec des taux de NH₃-N et de NO₃-N qui s’élèvent respectivement à 10 mg/l et à 2 mg/l dans les eaux d’évacuation, ce qui correspond à une charge de 0,1 kg de COD/kg SS × d à 20 °C environ. Il convient également de noter que la teneur en sel des eaux usées est de l’ordre de 3 000 à 4 000 mg/l.

Élimination du phosphore

Élimination chimique

Le phosphore peut être extrait des eaux usées par l’adjonction de produits chimiques tels que le sulfate de fer, le chlorure ferrique, le sulfate d’ammonium, etc., grâce à divers procédés : les plus courants sont la pré-précipitation et la précipitation simultanée. Tous ces processus ont déjà été testés et mis en œuvre depuis plusieurs années au Danemark ainsi que dans les autres pays européens, et leurs critères de conception ont été soigneusement définis. La figure 6 fournit un graphique du pourcentage du phosphore total dans les effluents de la station de Soholt, qui montre une grande stabilité de la qualité des effluents. Par ailleurs des procédés d’élimination biologique du phosphore ont été mis au point durant ces dernières années.

Élimination biologique

La première station d’épuration à pleine échelle qui ait été conçue selon le principe Bio-Denipho est celle de Nørre Aaby, qui traite aussi bien les eaux usées domestiques que les eaux résiduelles industrielles.

Cette station, qui doit respecter des normes de 10 mg/l pour la DBO, 7 mg/l pour l’azote et 1 mg/l pour le phosphore, a été conçue pour une alimentation en eaux usées de 5 200 m³/j par temps sec. Sa charge organique équivalait en 1987 à 12 500 EH (750 kg de DBO/j).

Les eaux usées brutes sont traitées suivant le procédé Bio-Denipho, puis filtrées ; on y ajoute ensuite du chlorure ferrique (taux molaire fer/phosphore : 0,25). Les boues chimiques produites sont éliminées en même temps que les boues biologiques excédentaires : le tableau II rend compte des résultats obtenus.

Cinq stations d’épuration fonctionnent maintenant selon le système Bio-Denipho, et plus de vingt sont actuellement en voie de construction.

Conclusion

Comme le démontre cet article et contrairement à ce que l’on affirme parfois, il existe des techniques confirmées et fiables pour éliminer l’azote et le phosphore de la majeure partie des rejets communaux. Il est donc possible de ne pas différer l’application des futures normes européennes, soit immédiatement, soit en plusieurs étapes, à condition de bien réfléchir la finalité du traitement envisagé. Ainsi, l’obtention d’une teneur résiduelle de 8 mg/l d’azote (procédé Bio-Denitro) et de 1 mg/l de phosphore (procédé Bio-Denipho) est maintenant possible dans des conditions simples et économiques, quelle que soit la taille de l’installation projetée.

BIBLIOGRAPHIE

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