Fondements techniques et gestion opérationnelle d'un bassin d'aération avec soufflante à faible-charge
1. Aperçu
1.1 Principe de fonctionnement des bassins d’aération soufflante
L'aération par soufflante, couramment utilisée en Chine, comprend principalement les types d'aération diffuse, en spirale et microporeuse. Un bassin d'aération comprend généralement un système d'aération, la structure du bassin et des ports d'entrée/sortie, servant de structure clé dans le traitement des eaux usées par boues activées. Les méthodes d'aération courantes sont l'aération mécanique et par soufflage. Les systèmes d’aération par soufflante se composent généralement d’aérateurs et de soufflantes spécialisés. Les bassins sont souvent divisés en plusieurs compartiments, chacun capable d'alimenter indépendamment les affluents. Les eaux usées entrent dans le bassin et sortent par l’extrémité opposée. Au cours de ce processus, l'air est acheminé via des compresseurs vers des diffuseurs situés au fond du bassin et libéré sous forme de bulles.
1.2 Recherche connexe sur les bassins d’aération à soufflante
Les recherches de Cheng Dandan et al. ont constaté que dans les usines municipales de traitement des eaux usées (STEP) de Chine, les ventilateurs d'aération consomment environ 60 % de l'énergie totale. L'intégration du système d'aération avec un contrôle intelligent PID en boucle fermée-pour l'oxygène dissous (OD) et la mise en œuvre de stratégies d'économie d'énergie des ventilateurs-peuvent répondre efficacement à la consommation d'énergie élevée dans les systèmes d'aération des STEP, en la réduisant de plus de 30 %.
Liu Xiaoqi et coll. utilisé des aérateurs à flux dispersé pour augmenter la teneur en oxygène des eaux usées pendant le traitement tout en réduisant la consommation d'énergie. Cela a également permis d'obtenir un mélange et une distribution uniformes de l'eau-air, réduisant ainsi les exigences de précision pour le nivellement de l'installation de l'aérateur.
Chang Kai et coll. amélioration des performances du système de bassin d'aération conventionnel en modifiant le mode de collecte d'air d'origine. Ils ont remplacé les aérateurs microporeux traditionnels par des aérateurs microporeux à plaque de silicone à haute efficacité de transfert d'oxygène-et ont remplacé les bassins d'aération à flux droit-à un seul-passage-par des bassins à flux serpentin à trois-passes. L'intégration d'un contrôle précis de l'aération a encore amélioré le système, résolvant les problèmes de consommation d'énergie élevée, de faible efficacité et de mauvais transfert de masse dans les méthodes traditionnelles d'aération par soufflante.
1.3 Gestion opérationnelle des bassins d’aération soufflante
Les bassins d’aération surpresseurs sont largement utilisés dans le traitement des eaux usées. Suivant le principe du « traitement séparé des différents flux de déchets », l'unité de traitement des eaux usées salines d'une STEP spécifique traite principalement les eaux usées de dessalement électrique provenant de la distillation sous vide atmosphérique-, de l'eau purifiée épurée, des eaux usées de neutralisation par alkylation et de certains effluents surnageants et à haute salinité-. Cette unité dispose d'un système de traitement biologique en trois étapes-, avec le bassin d'aération du ventilateur comme étape secondaire. Sa demande chimique moyenne en oxygène (DCO) dans les affluents est constamment inférieure à 100 mg/L, ce qui le classe comme un procédé à boues activées à faible charge. Au-delà des mises à niveau des équipements, le maintien d’un fonctionnement optimal nécessite un contrôle et un ajustement minutieux des paramètres du processus.
2. Aperçu des installations
2.1 Flux de processus de l’unité de traitement des eaux usées salines
L'unité utilise un processus « Égalisation + Séparation de l'huile + Flottation en deux -étapes + Traitement biologique en trois -étapes », les effluents traités étant envoyés vers une unité de polissage. Le séparateur d’huile utilise une conception combinée à flux horizontal et à plaques inclinées. Les deux étapes de flottation utilisent respectivement la flottation à air par cavitation vortex (CAF) et la flottation à air dissous sous pression à reflux partiel (DAF). Les trois étapes biologiques sont séquentielles : le réservoir d'aération à oxygène pur III, le réservoir d'aération par soufflante et le réservoir biochimique secondaire (EM-BAF). Le flux du processus est illustré dansFigure 1.
2.2 Description du bassin d'aération du ventilateur
Le bassin d'aération de la soufflante est une installation reconvertie, construite à l'origine en 1995 dans le cadre d'une unité de traitement des eaux usées huileuses. Il utilise une conception d'aération à flux plug-traditionnelle avec un volume effectif de 3 888 m³ et un temps de rétention hydraulique (HRT) actuel d'environ 17,6 heures. Le bassin fonctionne en deux trains parallèles, chacun comportant quatre compartiments. Des aérateurs sont installés au fond, alimentés par des soufflantes centrifuges pour fournir de l'oxygène au métabolisme des boues activées. Il est également équipé de deux clarificateurs secondaires (Φ18m x 5m).
Au sein du système biologique en trois - :
- Étape 1 (réservoir d'aération à oxygène pur III): La fonction principale est l'élimination de la DCO.
- Étape 2 (réservoir d'aération par soufflante): La fonction principale est l'élimination de l'azote ammoniacal (NH₃-N), la fonction secondaire est l'élimination supplémentaire de la DCO.
- Étape 3 (réservoir biochimique secondaire - EM-BAF) : Fonctions pour polir davantage les effluents DCO et NH₃-N, garantissant ainsi la qualité finale de l'eau.
2.3 Qualité des influents et des effluents du bassin d’aération de la soufflante
L'influent du bassin d'aération de la soufflante provient du réservoir d'aération d'oxygène pur III, avec des limites de polluants : CODcr inférieur ou égal à 300 mg/L, NH₃-N inférieur ou égal à 30 mg/L, matières en suspension (SS) inférieures ou égales à 50 mg/L.
Son effluent alimente le Réservoir Biochimique Secondaire, avec des limites : DCOcr Inférieure ou égale à 120 mg/L, NH₃-N Inférieure ou égale à 30 mg/L, SS Inférieure ou égale à 50 mg/L.
L'effluent final du réservoir biochimique secondaire doit répondre à : CODcr inférieur ou égal à 70 mg/L, pétrole inférieur ou égal à 5 mg/L, NH₃-N inférieur ou égal à 3 mg/L.
Tout au long de 2021, la CODcr moyenne des influents du bassin était de 67,094 mg/L et la moyenne de NH₃-N était de 23,098 mg/L, toutes deux répondant aux exigences de conception. Cependant, la DCO particulièrement faible dans les affluents a entraîné une carence en source de carbone pour les boues activées, ce qui a eu un impact sur leur métabolisme normal. À l’inverse, une quantité suffisante d’azote ammoniacal et une faible concentration de polluants organiques dans la liqueur mélangée ont favorisé la nitrification, qui s’est déroulée efficacement.
3. Facteurs d’influence opérationnels et mesures de contrôle
3.1 Impact de la faible charge d’affluent et du vieillissement des boues
Avec une DCO dans l'influent à 67,094 mg/L-en dessous à la fois de la limite de conception (inférieure ou égale à 300 mg/L) et de la demande microbienne en carbone (environ. 100 mg/L DBO₅)-les boues activées ont connu une carence en source de carbone. La faible charge a entraîné une croissance lente des boues, les rendant sujettes au vieillissement et formant une structure lâche. Des boues vieillies et mortes formaient de l'écume flottant sur la surface du clarificateur secondaire. Faute d'équipement de collecte de l'écume, cette écume s'est écoulée avec l'effluent, provoquant une turbidité, dépassant les limites de DCO et de MES, et surchargeant par la suite le réservoir biochimique secondaire en aval, affectant la qualité finale de l'effluent.
Contre-mesure: L'équipe d'exploitation a contrôlé la concentration de matières en suspension dans les liqueurs mélangées (MLSS). En utilisant une éprouvette graduée de 1 000 ml pour le test de l'indice de volume des boues (SVI) de 30 minutes, ils ont maintenu le SVI autour de 20 %, correspondant à un MLSS d'environ 2 g/L. Cette efficacité équilibrée d’élimination des polluants permet d’éviter le vieillissement des boues, le flottement et la détérioration de la qualité de l’eau. La croissance lente des boues signifiait un gaspillage minimal et peu fréquent des boues, permettant aux bactéries nitrifiantes un temps de séjour dépassant leur temps de génération minimum, favorisant ainsi la nitrification.
3.2 Impact du contrôle de l'oxygène dissous (OD)
Les micro-organismes présents dans les boues activées sont principalement aérobies, nécessitant généralement une OD comprise entre 1-3 mg/L. Les normes d'entreprise fixent la plage d'OD pour les bassins d'aération à débit piston traditionnels entre 2 et 4 mg/L, la nitrification exigeant généralement un OD pas inférieur à 2,0 mg/L. La faible charge d’affluent actuelle et la concentration encore réduite de MLSS ont réduit la demande d’OD, rendant le contrôle difficile. Le maintien d'un mélange complet a souvent augmenté l'OD au-dessus de 4 mg/L, tandis que le contrôle de l'OD dans la plage cible a parfois conduit à un mélange inadéquat dans certaines zones, provoquant une décantation des boues.
De plus, une teneur élevée en OD accélère la décomposition de la matière organique, exacerbant ainsi le vieillissement des boues. Ainsi, en pratique, la DO est contrôlée autour de 3 mg/L. De plus, toutes les vannes d'air sont ajustées environ une fois par mois pour améliorer l'uniformité du mélange, réactiver les flocs dormants et maintenir la biomasse active.
3.3 Impact de la température de l'eau
La température affecte considérablement l’activité microbienne. Des températures appropriées favorisent l’activité, tandis que des températures basses l’inhibent ou la réduisent, et des températures élevées peuvent altérer la physiologie ou entraîner la mort. Dans ce système, les bactéries thermophiles constituent les principaux groupes fonctionnels. Pour la sécurité du système, la température est généralement maintenue entre 15 et 35 degrés, bien que la plage appropriée soit comprise entre 10 et 45 degrés. Un dépassement de 30 degrés peut dénaturer les protéines nitrifiantes, réduisant ainsi leur activité. Les boues activées contiennent à la fois des bactéries dégradant la DCO- et des bactéries nitrifiantes, la nitrification ayant une plage optimale plus étroite de 5 à 30 degrés.
L'affluent des eaux usées salines contient des flux-à haute température. Les incidents passés impliquaient des jours consécutifs où la température de l'influent dépassait 40 degrés, entraînant la désintégration des boues, la mort des dégradeurs et des nitrifiants de DCO-, ainsi que l'effondrement du système. Par la suite, un thermomètre a été installé sur la conduite d'effluent du réservoir d'égalisation pour contrôler strictement la température de décharge ne dépassant pas 40 degrés, répondant ainsi aux exigences de température des boues. Aucun incident similaire affectant la nitrification ne s’est produit en 2021.
3.4 Impact de l'alcalinité
Selon les normes d'entreprise pertinentes, lors de l'utilisation de boues activées pour l'élimination de l'ammoniac, le rapport entre l'alcalinité totale de l'influent et l'azote ammoniacal ne doit pas être inférieur à 7,14 ; sinon, l'alcalinité doit être complétée. Avec un NH₃-N influent de conception de 30 mg/L et une moyenne réelle de 23,098 mg/L, l'alcalinité totale requise n'est pas inférieure à 214,2 mg/L. Actuellement, l’alcalinité de l’influent est insuffisante, ce qui nécessite l’ajout quotidien de carbonate de sodium (Na₂CO₃) pour répondre aux exigences du procédé.
3.5 Impact du pH et des substances toxiques
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 ou<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Le métabolisme microbien aérobie peut modérément amortir les changements de pH. Par exemple, l’utilisation de composés azotés peut abaisser le pH pendant la nitrification, tandis que la décarboxylation produit des amines alcalines, augmentant ainsi le pH. Cela permet une acclimatation à long terme-aux eaux usées légèrement acides/alcalines. L’alcalinité inhérente des eaux usées contribue également à inhiber la baisse du pH.
Cependant, des changements drastiques de pH (par exemple, un afflux soudain d'alcalis dans un système acide) ont un impact significatif sur les microbes et peuvent perturber le fonctionnement. La nécessité d’une neutralisation dépend donc du cas particulier. Des fluctuations de pH mineures et constantes, en particulier avec des acides/bases faibles, peuvent ne pas nécessiter de neutralisation. Des fluctuations plus importantes nécessitent un ajustement du pH à neutre.
Les bactéries nitrifiantes sont très sensibles au pH-, avec une nitrification optimale entre 7,2 et 8,0, tandis que les microbes en général préfèrent un pH entre 6,5 et 8,5. Pour des eaux usées industrielles spécifiques, les types de substances toxiques sont souvent fixes, mais les concentrations et les volumes rejetés fluctuent. Outre l’égalisation, les niveaux de substances toxiques entrantes doivent être surveillés et contrôlés. Après acclimatation des boues, une limite maximale de concentration dans l'influent doit être établie en fonction du degré d'acclimatation et de l'expérience opérationnelle. Un dépassement prolongé nécessite des mesures telles que la réduction des flux entrants, l’augmentation du recyclage des boues ou l’amélioration de l’oxygénation pour prévenir l’empoisonnement microbien et l’échec du traitement. Actuellement, aucune substance toxique provoquant un empoisonnement microbien n’a été détectée dans l’affluent du bassin.
3.6 Impact des charges de choc influentes
La DCO influente reste stablement faible avec des fluctuations mineures, et NH₃-N et l'azote total (TN) restent également dans des plages relativement stables sur de longues périodes. La population nitrifiante reste relativement fixe. Cependant, en raison de leur taux de croissance lent, une augmentation soudaine et significative des affluents NH₃-N ou TN peut saturer la capacité d'élimination du bassin, compromettant la qualité des effluents NH₃-N et TN.
Théoriquement, la demande microbienne en N et P suit un rapport DBO₅:N:P de 100:5:1. Cependant, la teneur en N et P varie considérablement selon le type d’eaux usées industrielles. Certaines eaux usées sont riches en N et P, ce qui nécessite leur élimination pour répondre aux normes. D’autres sont déficients, nécessitant une supplémentation pour éviter de limiter le métabolisme. Pour les bassins d'exploitation traitant des eaux usées à faible teneur en N/P, des niveaux d'affluent d'environ 10 mg/L de NH₃-N et 5 mg/L de phosphate peuvent répondre aux besoins microbiens. Des niveaux prolongés en dessous de ces valeurs nécessitent une dose accrue de N/P.
L'exploitation quotidienne nécessite une surveillance étroite du NH₃-N et du TN dans tous les flux entrants et les effluents du réservoir d'égalisation, ainsi que dans les flux de recyclage des réservoirs de réglage, pour éviter de surcharger l'unité de polissage en aval et de menacer la sécurité des eaux de rejet finale.
4. Conclusion
En tant que réacteur central de nitrification de l'unité de traitement des eaux usées salines, le bassin d'aération de la soufflante nécessite une surveillance quotidienne étroite de la température de l'eau, du NH₃-N influent et du TN. Un contrôle strict de la concentration de MLSS, le maintien de l’OD autour de 3 mg/L et la garantie d’un ajout adéquat d’alcalinité sont essentiels. Grâce à ces mesures optimisées, le système fonctionne de manière stable avec une excellente qualité d'effluent : DCO moyenne de 54,213 mg/L, NH₃-N de 9,678 mg/L et SS de 23,849 mg/L, répondant pleinement aux exigences d'influent du réservoir biochimique secondaire. Les tests, la synthèse et l'optimisation continus sous de multiples aspects sont également cruciaux pour garantir davantage la fiabilité des équipements et l'efficacité du traitement du système.