TRAITEMENT DES EAUX USEES Ayse TOSUN-BAYRAKTAR…

TRAITEMENT DES EAUX USEES
II-Traitements biologiques
Ayse TOSUN-BAYRAKTAR
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Les phénomènes dans des bassins biologiques de traitements des eaux
Aérobie
Culture
bactérienne
+
Air
1 ère zone
Anoxie
2 ème zone
Anaérobie
3 ème zone
Traitements secondaires
Élimination de la pollution carbonée (DCO et DBO 5 )
de 70 à 80 %
bactéries
C + O 2 CO 2
Élimination de l’azote par :
1. Nitrification microorganismes aérobies
- oxydation de l’azote organique ou ammoniacal en nitrites
par bactéries nitrosantes
NH 4 + → NO2 -
– oxydation des nitrites en nitrates par bactéries
nitrifiantes
NO 2 - → NO3 -
2. Dénitrification au milieu anoxie
– réduction des nitrates en azote gazeux par
microorganismes anaérobies
NO 3 - → NO 2 - → N2 ↑
Élimination du phosphore : Oxygène étant fini, les
bactéries absorbent 30 % du phosphore
Traitements tertiaires
Pour compléter l’élimination du phosphore on ajoute
FeCl3 (catalyseur) donc tout le phosphore est éliminé. 2

I) Généralités
Élimination de la pollution carbonée
le processus biologique utilisé lors des traitements biologique :FERMENTATION
Dégradation de certaines substances organiques, souvent
accompagnée de dégagements gazeux sous l’action d’enzymes
secrétés par les micro-organismes.
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Élimination de la pollution carbonée
La voie aérobie si l’oxygène est associé aux réactions. Le carbone
organique se retrouve sous forme de CO 2 et de biomasse
La voie anaérobie, si les réactions s’effectuent à l’abri de l’air, en
milieu réducteur.
Le carbone organique, après dégradation, se retrouve sous forme
de CO 2 , CH 4 et biomasse.
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La pollution azotée :
Azote Kjeldahl
(NTK)
Forme organique
N-Organique
Forme ammoniacale
N-NH
+
4
Forme azote nitreux N-NO
-
2 (nitrite)
Forme azote nitrique N-NO
-
3 (nitrate)
Formes
réduites
Formes
oxydées
Azote global
(NGL)
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Élimination de l’azote
L'élimination biologique de l'azote fait intervenir 4 réactions principales :
a) Ammonification
C’est la transformation de l’azote organique en azote ammoniacal.
La vitesse d’ammonification dépend essentiellement de la
concentration en azote ammoniacal.
b) Assimilation
C’est l’utilisation d’une partie de l’azote ammoniacal et
éventuellement organique pour la synthèse bactérienne.
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Élimination de l’azote
c) Nitrification (par microorganismes aérobies)
C’est l’oxydation de l’azote ammoniacal en nitrite puis en nitrate
oxydation de NH 4 + en NO2 - par bactéries nitrosantes (Nitrosomonas)
oxydation de NO 2 - en NO3 - par bactéries nitrifiantes (Nitrobcter)
La réaction globale simplifiée : NH 4 + + 2O2 → NO 3 - + 2H + + H2 O
d) Dénitrification (par microorganismes anaérobies)
C’est le processus par lequel certaines bactéries réduisent l’azote
nitrique à un état plus faible d’oxydation
NO 3 - → NO2 - → NO → N2 O → N 2
Pour la dénitrification les bactéries ont besoin d'un environnement très pauvre en oxygène. L'arrêt des
aérateurs ne permet pas à lui seul d'atteindre cet objectif, c'est en fait la surconsommation d'oxygène par
les bactéries présentes dans le milieu qui engendre un environnement presque totalement anoxie.
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N- NH
+
4
Ammonification
Élimination de l’azote: représentation schématique
N- Organique
Nitrification
NO
-
2 NO
-
3
Dénitrification
NO
-
2 N2 Azote partant dans les boues
(synthèse bactérienne)
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Cette élimination conjointe de l'azote nécessite SOIT la conception de deux
bassins séparés dans lesquels sont générées les conditions optimales de
chacun :
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SOIT une l'alternance de phases aérobie/anoxie.
Les phases d'aération sont régulées par deux paramètres dans le bassin
d'aération :
le potentiel redox
la teneur en oxygène
Lors de l'arrêt des aérateurs, le temps de consommation de l'oxygène
dissous est d'environ 20 minutes, cette période ne fait donc pas partie
de la phase d'anaérobie totale.
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Caractérisation des boues activées d’un bassin d’aération
en fonction de potentiel redox (mV/H 2)
> 400 Nitrification totale
> 350 Élimination totale du carbone
Nitrification importante
< 250 Dénitrification
100 Dénitrification terminée
Début de l’anérobiose (interdit pour un bassin d’aération)
< 50 Anaérobiose grave
AEROBIE
« avec oxygène »
1 mg/l , > 300 mV
ANOXIE
« en apnée »
0 mg/l , > 100 mV
absence d’oxygène libre (O 2 )
présence d’oxygène lié (NO 3 - )
respiration sur nitrates
ANAEROBIE
« asphyxie »
0 mg/l , < 100 mV
absence d’oxygène libre (O2) absence d’oxygène lié (NO
-
3 )
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La déphosphatation biologique
Principe de la déphosphatation
Le principe de la déphosphatation biologique consiste en une
accumulation de phosphore dans une biomasse.
Deux types de réaction.
Précipitation du phosphore inorganique
Les principales causes possibles de la formation de ces précipités seraient
une augmentation de pH ou une augmentation de la concentration d’ions
précipitants.
Accumulation de phosphore
Les bactéries stockent des polyphosphates (poly-P).
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La déphosphatation physico-chimique simultanée
La déphosphatation physico-chimique peut avoir lieu
soit avec de la chaux,
soit avec FeCl 3 ou Al 2 (SO 4 ) 3
La précipitation par la chaux nécessite l'ajout d'un floculant, elle est
réalisée à des pH élevés (pH>9); la précipitation par le fer ou
l'aluminium entraîne la formation d'un hydroxyde, elle est réalisée à
des pH de l'ordre de 5 ou 6.
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Technologies de traitements biologiques
Culture bactérienne libre Culture bactérienne fixée
- Bassins à boues activées
- Lagunage
- Lits bactériennes
- Lits granulaires
- Disques biologiques
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II) Cultures bactériennes aérobies
II-1) Cultures libres (Boues activées) :
Stations de traitement par boues activées comprennent:
Eau à traiter
Fourniture
d’oxygène
Bassin
d’aération
• Dispositif de brassage- pour assurer bon contact entre bactéries
et nourriture, éviter les dépôts, favoriser la diffusion de l’oxygène
• Dispositif d’extraction
Clarificateur
Extraction des
boues en excès
• Bassin d’aération – l’eau à
épurer mise en contact avec
la masse bactérienne
• Clarificateur - séparation
d’eau épurée et la culture
bactérienne
• Dispositif de recirculation –
une conc. en m.o. est
nécessaire pour un niveau
d’épuration recherché
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Paramètre des stations
Charge massique : C m (ou facteur de charge) :
C’est le rapport entre la masse de nourriture (exprimée généralement en
terme de DBO 5 ) entrant journellement dans le réacteur et la masse de boue
contenue dans ce réacteur.
masse pollution entrant par jour (en DBO 5 )/masse boue dans le réacteur (MVS)
Q : débit d’eau brute journalier en m 3 /j
[DBO 5 ] : conc. de l’effluent brut en kg/m 3
V b : Volume du bassin en m 3
[MVS] b : concentration des boues dans le bassin d’aération en kg/m 3
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DBO 5 :
Correspond à la quantité de matières organiques biodégradables
Matières volatiles en suspension :
Représente la fraction organique dite volatile des MES (Matières En
Suspension) parce que calcinée à 550°C.
Le rapport MVS / MES indiquera l’organicité de l’effluent.
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Charge volumique : C V
C’est le rapport entre la masse de nourriture (exprimée généralement en
terme de DBO 5 ) entrant journellement dans le réacteur et le volume du
réacteur.
masse de pollution entrant par jour ( DBO 5 )/volume du réacteur
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Age des boues (temps de séjour des bactéries) :
La biomasse a tendance à croître
Pour la maintenir constante
Extraction continue d’un certain pourcentage des boues
La biomasse est totalement renouvelée au bout d’un certain
nombre de jours appelé :
«âge des boues» ou θ S (temps de séjour des cellules)
quantité de boues en aération/quantités des boues extraites par jour
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C’est le rapport entre la masse de boues présentes dans le réacteur et
la masse journalière de boues extraites de la station.
B : concentration des boues
V : volume de l’installation (y compris la partie du
décanteur secondaire contenant des boues)
M : biomasse totale en place
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Temps de séjour :
Temps de contact :
Temps de séjour :
V b : volume du bassin d’aération
V cl : volume du clarificateur (décanteur)
Q EB : débit des eaux brutes
Q R : débit du recyclage
Bassin d’aération
Clarificateur
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Besoins en oxygène :
Besoins en O 2 en kg/J = a’L e + b’S v + 4,3N N – 2,85c’N DN
Synthèse de la matière
vivante (reproduction par
division cellulaire des micro-
organismes)
Auto-oxydation
de leur masse
moléculaire
a’ : quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de 1 kg de DBO 5
L e : quantité de DBO 5 à éliminer en kg/J
O 2 consommée
lors de la
nitrification
b’ : quantité d’oxygène à la respiration endogène de 1 kg de MVS de boues par jour
S v : masse de biomasse dans le bassin d’aération en kg de MVS
4,3 : taux de conversion de l’azote réduit en azote nitrique
N N : flux d’azote à nitrifier
2,85 : taux de conversion de l’azote nitrique en azote gazeux
c’ : fraction de l’oxygène des NO 3 - récupérée par dénitrification, soit entre 60 et 70%
N DN : flux d’azote à dénitrifier
O 2 récupéré
lors de la
dénitrification
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Le taux de recirculation (Tr)
Exprimé en % , il permet de contrôler que la recirculation est correctement
réglée, c'est à dire que la recirculation de la biomasse est suffisante (pour
éviter le lessivage) ou pas trop importante (surcharge au niveau du
clarificateur). Il s'agit de maintenir une concentration constante en
biomasse dans le bassin.
On détermine un taux de recirculation théorique (fonction des MS dans le
bassin d'aération et dans le recirculation) :
Puis on détermine au taux de recirculation appliqué
(fonction du débit d'entrée et du débit de recirculation) :
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