Un nouveau procédé pour augmenter le rendement du traitement biologique par boues activées

Cette technique nécessite toutefois de grands espaces et d’avoir de grands bassins d’activation. La technologie Cleartec® permet d’augmenter jusque 50 % le rendement du traitement biologique par boues activées et donc de pouvoir diminuer la taille des bassins d’activation (bio-réacteurs) et des clarificateurs.

Le procédé Cleartec®, qui a fait ses preuves en Allemagne depuis plus de 10 ans, est issu du savoir-faire d'une société allemande spécialisée dans le textile technologique pour ce qui est de sa fabrication et d’un cabinet d'ingénierie dans le traitement des eaux usées renommé en Allemagne pour ce qui est de la conception. La société représentant le Cleartec® pour la France est NeoCord Europe à Roubaix (59). Le process d’épuration des eaux usées Cleartec®, validé par des essais à long terme et par des installations de référence, fait appel au lit fixe textile en polypropylène. Il

Il s'agit d'un procédé à réacteur lit fixe immergé ; une combinaison de procédés sessiles et de procédés de boues activées en suspension ; on peut l’appeler « procédé combinatoire ».

Le but de cette technique est d’augmenter, en ajoutant des surfaces de croissance, la concentration de biomasse active dans le bassin d’activation, afin d’augmenter la capacité épuratoire et ainsi les capacités d'une station d’épuration existante ou nouvelle.

Caractéristiques du Biotextile

Les surfaces de croissance Cleartec® sont constituées de bandes en polypropylène particulièrement résistantes aux influences mécaniques, chimiques et biochimiques.

Ces bandes ont été transformées du fait de leur maillage en un élément textile étirable qui, pour une largeur de 96 cm, possède en tout 16 bandes placées en long (zones de croissance). Les bandes, d’une largeur de 2,5 cm, sont constituées de deux bouclettes polypropylène spécialement entrecroisées. La surface spécifique du biotextile est de 23 m²/m³. Autrement dit, 1 m³ de Cleartec® représente 23 m² de surface spécifique lors de son déploiement. Grâce au grand nombre de bouclettes, une surface interne importante se forme qui offre aux microorganismes des conditions d’adhérence idéales. Des surfaces de croissance supplémentaires apparaissent sur le textile reliant les bandes. Par comparaison aux matériaux supports d'autres systèmes qui ont une surface lisse ou rugueuse, davantage de biomasse sessile peut se déposer ainsi sur la surface géométrique du lit fixe. Selon la surface, il peut y avoir un dépôt allant jusqu'à 0,35 kg/m².

Domaines d’application

Le procédé Cleartec® s'applique aussi bien aux stations d’épuration urbaines qu’industrielles nécessitant le traitement de pollutions organiques, notamment DBO, DCO et MES, mais aussi pour les composés azotés et phosphatés. Il s’applique lors :

• - de la mise en place dans des installations nouvelles ;
• - d’équipement supplémentaire dans des installations existantes pour en augmenter la capacité tout en conservant les valeurs limites et en améliorant la sécurité de fonctionnement (en baissant les coûts) ;
• - amélioration de l’élimination de l'azote dans des installations existantes ;
• - installations pour les eaux usées industrielles fortement chargées en matière organique ;
• - petites stations d’épuration ;
• - bio-réacteur.

Capacités épuratoires et avantages

Capacités épuratoires

Le biotope trouve sur le biotextile Cleartec® des conditions de croissance stables, qui engendrent une pluralité des espèces et de longues chaînes alimentaires. Il en résulte une bonne faculté d’adaptation à différents contextes de fonctionnement, ainsi qu'une stabilité accrue du processus. La teneur en matières solides dans le bassin d’activation peut, selon le mode de fonctionnement et la température, être augmentée de 30 à 50 %. La forte concentration en boues dans le bassin a pour conséquence une faible charge en boues et un âge élevé de celles-ci. La grande différenciation des êtres vivants avec une longue chaîne alimentaire représente de bonnes conditions de nitrification.

Les propriétés de dépôt des boues s’en trouvent améliorées, ce qui se traduit par un indice de volume des boues bas. En cas de pic hydraulique, les corps du lit fixe Cleartec® empêchent un entraînement démesuré de boues actives. Le fonctionnement de la décantation est de ce fait considérablement plus stable.

Un autre avantage du système réside dans le fait que l’âge des boues augmente du fait de la part sessile et donc que l'excédent de boues, rapporté à la décomposition DBO, s’en trouve réduit.

Avantages du procédé

On réunit les avantages du biofilm, à savoir une grande variété d’espèces de microorganismes grâce à l'âge élevé des boues, pas de délavage des boues, une sécurité en cas de charges hydrauliques maximales, avec le processus de boues activées.

De par la souplesse du matériau et sa struc-

De par sa structure, le procédé Cleartec® biotextile présente de grandes surfaces spécifiques. Il bouge avec les turbulences de l'eau et ne permet pas la formation d’épaisses couches de boue. On peut résumer les avantages du système Cleartec® de la manière suivante :

• une amélioration des performances des installations existantes ;
• davantage de biomasse sessile de dépose sur la surface du lit comparé à d'autres systèmes ;
• une réduction des investissements pour les nouveaux projets ;
• possibilité d’un équipement partiel ou progressif ;
• une augmentation de la matière biologique sèche sans charge supplémentaire de décantation ;
• une bonne élimination de l'azote ;
• une amélioration de la sécurité pour les charges hydrauliques et débits de pointe ;
• une diminution de la production de boues excédentaires ;
• une augmentation de la stabilité de fonctionnement ;
• une possibilité de contrôle du système d'aération et du biofilm bactérien installé sur le biotextile, même en phase de fonctionnement ;
• aucun danger de bourrage grâce au matériel flexible Cleartec® ;
• réduction de l'excédent de boues et donc réduction des coûts.

Indications de montage et de mise en service

Il faut protéger le biotextile Cleartec® des rayons UV jusqu'à ce qu'il soit monté. La zone de température des eaux usées est généralement située entre +2 °C et +36 °C. Pour que l'installation fonctionne sans poser de problème, il convient de respecter les points suivants :

• l'écart entre les panneaux ne doit pas être inférieur à 7 cm ;
• la distance par rapport à la surface de l'eau doit être d’au moins 40 cm, mieux encore de 60 cm ;
• l’écart minimum des systèmes d'aération par rapport aux panneaux doit être de 60 cm pour pouvoir aérer le lit fixe de manière optimale ;
• surtout dans la zone du fond du bassin, le courant doit être de v = 30 cm s⁻¹ pour éviter les dépôts de boues ;
• le lit doit être placé de telle manière que les textiles Cleartec® soient bien traversés par le flux, aussi bien verticalement qu’horizontalement ;
• la teneur en matière solide par m² de surface de croissance peut aller jusqu'à 0,35 kg m⁻². Ces valeurs ont pu être atteintes grâce à la multitude de bouclettes synthétiques et, contrairement à d'autres matériaux supports, une très grande surface interne est possible, permettant ainsi un plus grand dépôt de biomasse à la surface géométrique du lit fixe.

Aération et courants

Il faut faire en sorte que les éléments textiles Cleartec® suspendus verticalement et longitudinalement par rapport au courant principal soient traversés par le courant aussi bien verticalement qu'horizontalement.

Le courant principal doit, surtout dans la zone de fond du bassin, atteindre une vitesse minimale de 20 cm s⁻¹, l’idéal étant de 30 cm s⁻¹. Ce courant principal peut généralement être atteint grâce aux systèmes d’aération nécessaires, entre autres par les impulsions, ou, dans certains cas, en installant des mélangeurs. La disposition doit se faire en fonction de chaque bassin.

Le courant vertical sera généré par les aérateurs placés sous le biotextile (diffuseurs

Les systèmes d’aération doivent être fixés au cadre, de sorte qu’ils puissent être retirés du bassin en même temps que la cage ; ainsi, les systèmes de ventilation sont très accessibles pour la maintenance sans altérer le fonctionnement de l’installation.

Du fait de courants turbulents se déplaçant sur le réacteur du lit fixe, les éléments textiles sont constamment en mouvement. Si trop de boues activées se déposent sur un élément, le mouvement les décolle et les entraîne ; ce processus, que l’on nomme également « mue », garantit qu’il n’y a pas de situation anaérobie dans le système.

Réaliser des essais avec un container pilote

Il est possible de réaliser des essais de traitement des effluents liquides avec le procédé Cleartec® par le biais d’un container pilote destiné à cet usage. L’installation d’épuration d’eau dans le container est prévue pour une élimination mécanique et biologique des matières carbonées et azotées pour des eaux ayant différentes origines. Une élimination des phosphates est également possible. Le container pilote se présente de la façon suivante : tout d’abord, l’eau est dégrillée puis pompée dans le container. Le remplissage du container se règle par des capteurs de flux hydraulique en fonction de la charge de cette eau.

Le premier compartiment est anaérobie (avec oxygénation possible) pour la dénitrification. Dans ce pré-compartiment de dénitrification, il n’y a pas de lit fixe (possible en option). Un mélangeur assure l’agitation des particules en suspension pour que celles-ci ne sédimentent pas et ne commencent pas à pourrir dans les conditions d’anoxie. Les nitrates ou nitrites nécessaires à la dénitrification proviennent de la dernière étape de la nitrification et sont mis à disposition par un reflux d’eau (circuit interne) selon les besoins.

Par le retour de boue active (circuit externe) du clarificateur, on s’assure qu’il y a toujours assez de masse biologique active.

Après le passage du bassin de dénitrification, l’eau arrive dans la première étape de la nitrification. Dans ce compartiment oxygéné se trouve le lit fixe Cleartec® qui est la surface de croissance des micro-organismes.

Les différentes souches sessiles de bactéries minéralisent à la fois les matières organiques carbonées et les matières organiques azotées, qui transforment respectivement l’ammoniac en nitrite et nitrate.

La deuxième étape de la nitrification a le même but que la première ; la charge de l’eau étant à ce stade moindre. L’avantage de cette technique réside dans une dégradation en cascade.

Un filtre lamellaire fait office de clarificateur en séparant la boue de l’eau. La boue est collectée au fond du clarificateur et, si nécessaire, retournée dans le compartiment de dénitrification. Le reste est pompé comme boue excédante. L’eau traitée est ensuite dirigée vers un filtre ; elle traverse par gravitation une couche de 1,5 m d’argile afin de retenir d’éventuelles particules résiduelles non solubles. Ce filtre est un élément important de l’augmentation de l’efficacité obtenue.

Conclusion

Le procédé Cleartec® est un système de traitement des eaux usées combinant la boue activée en suspension et le lit fixe en textile polypropylène pour la boue activée sessile. Il découle de ces performances une diminution des investissements de génie civil pour le process des eaux et donc un gain de place.

Concernant les stations existantes, il est possible, grâce au système de lit fixe Cleartec®, d’augmenter les capacités des réacteurs biologiques pouvant atteindre jusqu’à 50 %. L’équipement en lit fixe textile peut se faire de manière progressive.

Ce procédé biologique de traitement des eaux usées industrielles et urbaines permet de dégrader les matières carbonées (DCO, DBO, MES) et les matières azotées ainsi que les phosphates. Les rendements de la nitrification-dénitrification peuvent être de même augmentés avec ce procédé.

Utilisé en Allemagne depuis plus de dix ans, les résultats obtenus par ce système sont surprenants.

La station d’épuration de Munich a effectué une opération de contrôle du biotextile au début de l’année 2003 ; les ingénieurs ont pu constater qu’il était resté quasiment intact depuis son utilisation dans cette station en 1994.