Élimination avancée de l'azote dans les stations d'épuration des eaux d'épuration : conception du processus MBBR à biofilm pur et analyse des performances|Étude de cas

Conception technique et performances d'un processus MBBR de biofilm pur pour l'élimination avancée de l'azote

Avec l'avancement global de la construction de la civilisation écologique de la Chine, les normes de rejet des usines de traitement des eaux usées (STEP) sont devenues de plus en plus strictes. La norme de catégorie A de la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (GB 18918-2002) exige un TN inférieur ou égal à 15 mg/L, tandis que les normes locales dans des régions comme Pékin et Shandong fixent explicitement la limite à un TN inférieur ou égal à 10 mg/L. Ces normes élevées s'étendent au-delà des seules limites de qualité de l'eau, imposant des exigences plus strictes en matière de stabilité des effluents. Par conséquent, il existe un besoin urgent d’améliorer la capacité d’élimination de l’azote des procédés de traitement. Une approche consiste à augmenter le dosage de la source de carbone dans le processus existant pour améliorer la dénitrification, mais cela entraîne des coûts opérationnels élevés et une augmentation des émissions de carbone. Alternativement, l’ajout d’installations avancées d’élimination de l’azote, utilisant souvent des méthodes de biofilm pour enrichir efficacement les bactéries dénitrifiantes, peut améliorer l’élimination du TN, réduire le besoin de sources de carbone externes et réduire les émissions de carbone. Le réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR), avec ses avantages d'un fort enrichissement fonctionnel en bactéries, d'un faible encombrement et d'un fonctionnement et d'une maintenance simples, a été largement appliqué dans la construction, l'expansion et la modernisation des STEP. Il peut atteindre de manière stable des normes de rejet supérieures à la qualité des eaux de surface de quasi-classe IV et présente un potentiel et des avantages importants pour l'élimination avancée de l'azote dans les STEP. Cet article prend une STEP dans le Shandong comme étude de cas pour analyser la logique de conception et les performances opérationnelles de l'application d'un processus MBBR de biofilm pur pour l'élimination avancée de l'azote, dans le but de fournir une référence technique pour une dénitrification efficace des eaux usées.

1. Aperçu du projet

1.1 Présentation du projet

Une STEP dans le Shandong a été construite en deux phases. La première phase, utilisant le procédé BIOLAK, a été officiellement mise en service en novembre 2003 avec une capacité de traitement de 40 000 m³/j. La disposition du processus BIOLAK et la zone disponible pour la mise à niveau sont présentées dansFigure 1. Initialement, la qualité des effluents répondait à la norme de catégorie B du GB 18918-2002. D’ici 2020, grâce à un dosage amélioré des sources de carbone et à l’ajout d’un traitement avancé, la qualité des effluents a été améliorée jusqu’à atteindre la norme de catégorie A. D’ici 2023, après trois années d’exploitation, la qualité globale des effluents pouvait globalement répondre à la norme de grade A, mais elle était confrontée à deux défis majeurs concernant l’élimination de l’azote :

Dosage de source à haute teneur en carbone: Pour atteindre l'objectif de TN inférieur ou égal à 15 mg/L, une quantité substantielle de source de carbone externe était nécessaire. Les calculs basés sur les sections du processus ont montré un rapport C/N aussi élevé que 5,9, alors que le processus AAO de la deuxième phase de l'usine ne nécessitait qu'un rapport C/N de 4,5 à 5,0 pour garantir une conformité stable au TN. L’ajout important de sources de carbone a également eu un effet négatif sur le processus de nitrification aérobie, augmentant la demande en oxygène dans la zone aérobie.

Mauvaise stabilité de l'élimination de l'azote: Étant donné que la nitrification et la dénitrification se produisaient dans le même réservoir dans des conditions requises différentes, les paramètres opérationnels nécessitaient des ajustements fréquents en fonction des changements d'affluent. Le contrôle de NH₃-N et de TN était contradictoire, ce qui rendait difficile le maintien d'un équilibre stable entre nitrification et dénitrification. La résistance aux chocs du système était moyenne, ce qui a conduit à une mauvaise stabilité des effluents.

Par conséquent, une mise à niveau du procédé BIOLAK d'origine était nécessaire, avec pour objectifs principaux de résoudre le conflit entre nitrification et dénitrification, de réduire les coûts opérationnels d'élimination de l'azote et d'améliorer la stabilité des effluents.

1.2 Défis de mise à niveau

Comme le procédé BIOLAK n'était pas adapté à une modification-dans le réservoir afin d'améliorer les performances, le plan était de renforcer le traitement en construisant une nouvelle unité avancée d'élimination de l'azote. Le procédé BIOLAK original se concentrait principalement sur la nitrification avec la dénitrification comme secondaire, tandis que le nouveau procédé se concentrerait sur la dénitrification. Compte tenu des besoins réels de rénovation, le projet a été confronté à deux défis majeurs : un terrain disponible limité pour le nouveau processus et des exigences élevées en matière d'efficacité opérationnelle.

Terrain disponible limité pour un nouveau procédé: La nouvelle construction devait être réalisée sur le site de l'usine existant, qui ne disposait pour l'essentiel d'aucun terrain réservé. La construction n'a été possible que sur une ceinture verte adjacente aux réservoirs BIOLAK, d'une superficie disponible de 400 m². Cela signifiait que l'empreinte du nouveau projet par unité d'eau traitée devait être inférieure ou égale à 0,01 m²/(m³·d).

Exigences élevées en matière d’efficacité opérationnelle: Il ne s’agissait pas d’une simple mise à niveau mais d’une optimisation supplémentaire de la zone fonctionnelle biochimique. La nouvelle unité devait gérer une charge d’élimination de l’azote de 20 mg/L. Ce processus devait non seulement être réalisé sur un terrain limité, mais devait également réduire le dosage de la source de carbone par rapport à la dénitrification BIOLAK originale tout en garantissant des performances de dénitrification stables. Ainsi, des exigences élevées ont été imposées à la fois en termes d’efficacité d’élimination de l’azote et d’efficacité d’utilisation des sources de carbone.

2. Comparaison et sélection des processus

Après traitement par le procédé BIOLAK, l'effluent TN est constitué majoritairement d'azote nitrate. Actuellement, les procédés avancés et matures d’élimination de l’azote utilisent principalement des méthodes de biofilm, caractérisées par un enrichissement efficace des micro-organismes sur les surfaces porteuses à l’état attaché, offrant une efficacité d’enrichissement en bactéries fonctionnelles nettement supérieure à celle des procédés conventionnels à boues activées. Les processus de biofilm peuvent être divisés en types de lits fixes-et mobiles-en fonction de la fluidisation du porteur, comme indiqué dansGraphique 2.Les filtres dénitrifiants, processus typiques de biofilm à lit fixe, utilisent des médias filtrants granulaires fixes comme supports de croissance microbienne. En ajoutant une source externe de carbone, ils exploitent la dénitrification du biofilm et la filtration du média pour obtenir une élimination simultanée du NO₃^--N, SS et autres polluants. Les avantages incluent une qualité d'eau traitée stable, l'absence de clarificateurs secondaires et une disposition compacte, ce qui les rend largement utilisés dans les améliorations des STEP en tant qu'unité de traitement avancée pour renforcer l'élimination du TN des effluents secondaires. Cependant, l’accent opérationnel doit être mis sur l’impact du C/N sur l’efficacité de la dénitrification avancée. Le projet de mise à niveau de la station d'épuration de Pingtang Phase I, également d'une capacité de 40 000 m³/j, a utilisé un filtre dénitrifiant + une flottation à air dissous (DAF) à haute efficacité-comme processus de traitement avancé pour élever l'effluent TN aux normes d'eau de surface quasi-Classe IV, atteignant une empreinte au sol d'environ 0,045 m²/(m³·d), économisant des terres et permettant un traitement efficace, mais avec un C/N aussi élevé que 18h34. Pour répondre aux nouvelles normes locales concernant les effluents TN, l'usine de récupération d'eau No. 9 de Chengdu a adopté un réservoir de sédimentation à haute-densité et un filtre dénitrifiant à lit profond-comme processus de mise à niveau, avec un C/N de 5,7, permettant ainsi un traitement avancé selon des normes élevées. La STEP de Dingqiao à Haining n'a pas pu répondre aux normes de rejet de catégorie A requises pour le bassin de la rivière Qiantang. Gao Feiya et coll. a utilisé un filtre dénitrifiant à lit profond-pour un traitement avancé du TN, éliminant simultanément les SS et le TP, ce qui rapproche la qualité des effluents des normes de quasi-Classe IV, mais avec un C/N élevé de 15,68, ce qui entraîne des coûts d'élimination de l'azote élevés. De plus, les processus de filtration nécessitent un lavage à contre-courant régulier, généralement à l'aide d'un récurage à l'air-eau, ce qui peut avoir un impact sur la stabilité opérationnelle.

l'instabilité des filtres dénitrifiants, la recherche sur l'application de la dénitrification autotrophe (SAD) à base de soufre aux filtres dénitrifiants a attiré l'attention. Le SAD utilise du soufre élémentaire ou des composés soufrés comme donneurs d'électrons dans des conditions anaérobies ou anoxiques pour réduire le NO₃.^--N à N₂. Il offre des avantages tels qu'une bonne efficacité de dénitrification, l'absence de source de carbone organique, un faible coût d'exploitation et une faible production de boues. Song Qingyuan et coll. étudié l'effet d'élimination de l'azote d'un filtre SAD sur les effluents secondaires. Après optimisation des conditions pilotes, l'élimination des nitrates est restée stable au-dessus de 95 %, mais le taux de consommation des médias a atteint 20 % par an, accompagné d'une augmentation de la concentration de sulfate dans les effluents et d'une diminution du pH. Pour éviter les risques de pollution secondaire liés au SAD, Li Tianxin et al. médias préparés en granulant un mélange de poudre de soufre et de calcaire. L'ajout d'une certaine proportion de calcaire au lit filtrant a neutralisé l'acidité générée et produit un précipité de CaSO₄, réduisant ainsi la concentration de sulfate dans les effluents et résolvant efficacement les problèmes de production d'acide et de niveaux élevés de sulfate. Cependant, le calcaire occupait l'espace destiné aux milieux donneurs d'électrons au sein du système, affaiblissant la capacité de dénitrification avancée, augmentant la dureté des effluents et augmentant les coûts d'exploitation. La recherche actuelle sur la technologie SAD se déroule principalement à l’échelle du laboratoire et du pilote, avec une expérience en ingénierie insuffisante pour référence. Des recherches appliquées supplémentaires sont nécessaires avant une promotion à l'échelle industrielle.

Le MBBR est un représentant typique des processus de biofilm en lit fluidisé- et d'une nouvelle technologie de traitement des eaux usées qui a reçu une attention considérable ces dernières années. Il utilise des supports en suspension d'une densité proche de l'eau pour enrichir spécifiquement les micro-organismes, formant ainsi un biofilm pour obtenir une élimination avancée de l'azote. Les processus de biofilm en lit fluidisé-évitent également les problèmes de colmatage des supports et de lavage à contre-courant. Actuellement, le biofilm MBBR pur pour la dénitrification avancée des STEP a plus de 20 ans d'expérience opérationnelle réussie à l'étranger et voit une application de plus en plus large en Chine. Zheng Zhijia et coll. a utilisé un processus MBBR de biofilm pur en deux étapes-pour une dénitrification avancée. À C/N=4.0, l'azote nitrate des effluents du système s'est stabilisé à (1,87 ± 1,07) mg/L, avec un taux d'élimination moyen du TN de 93,3 %. Une station d'épuration d'une zone de développement dans une certaine ville a construit un nouveau réservoir biologique MBBR comme traitement tertiaire avancé pour une dénitrification améliorée. La charge d'élimination du TN dans la section anoxique du biofilm pur MBBR était de 1,1 g/(m²·d), améliorant ainsi la fiabilité de la dénitrification du système. Gao Yanbo et al., dans le but d'augmenter la capacité de l'usine d'origine, ont construit un nouveau réservoir biologique MBBR à biofilm pur AO à deux étages -, obtenant un TN d'effluent stable inférieur à 5 mg/L avec une efficacité de dénitrification élevée. Ainsi, le procédé MBBR à biofilm pur présente un grand potentiel pour une élimination avancée de l'azote dans les stations d'épuration des eaux usées, combinant des avantages tels qu'une efficacité élevée d'utilisation des sources de carbone, une charge de traitement élevée et une faible empreinte écologique. Cependant, cela impose également des exigences plus élevées en matière d'équipement, nécessitant un équipement fiable pour prendre en charge un fonctionnement stable du processus. Une comparaison des processus avancés courants d’élimination de l’azote est présentée dansTableau 1.

Sur la base d'une comparaison complète, bien que le procédé SAD ne nécessite aucun ajout de source de carbone, son application actuelle n'est pas encore mature et comporte des risques de pollution secondaire, il n'a donc pas été pris en compte pour cette mise à niveau. Bien que les filtres dénitrifiants soient largement utilisés, ils sont principalement utilisés dans les améliorations des STEP où le TN de l'influent/de l'effluent est souvent de 15/12 mg/L, gérant une charge d'élimination de TN relativement faible. Étant donné que ce projet nécessitait de répondre à des demandes élevées d'élimination du TN à long terme, l'opération raccourcirait considérablement le cycle de lavage à contre-courant du filtre, augmentant ainsi les difficultés opérationnelles et l'instabilité. Le procédé MBBR de biofilm pur combine des avantages tels qu'une efficacité élevée d'utilisation du carbone, l'absence de lavage à contre-courant, une application mature et l'absence de pollution secondaire. Compte tenu des défis du processus et des exigences de rénovation, le projet a finalement sélectionné la construction d'un nouveau réservoir biologique MBBR à biofilm pur (ci-après dénommé le réservoir MBBR) comme solution avancée d'élimination de l'azote pour la première phase, conçu avec un C/N=4.5 et une période de retour sur investissement prévue de 7,37 ans.

3. Nouveau plan de construction

3.1 Flux de processus

Le flux du processus de traitement des eaux usées après rénovation est illustré dansFigure 3. L'influent de l'usine passe à travers des tamis fins, des chambres à sable vortex et des réservoirs de sédimentation primaires avant d'entrer dans le réservoir biologique BIOLAK-pour l'élimination de la matière organique, de l'azote ammoniacal, etc. Il est ensuite soulevé par des pompes dans le réservoir MBBR pour une élimination avancée du TN. Le réservoir MBBR est conçu pour un TN influent de 35 mg/L et un TN effluent inférieur ou égal à 15 mg/L. L'effluent MBBR est aspiré par des pompes secondaires vers le traitement avancé existant de l'usine pour la séparation solide-liquide et le gaspillage des boues. L'effluent final est désinfecté avant son rejet dans la rivière réceptrice. Les boues excédentaires sont épaissies, déshydratées et transportées hors du site-pour être éliminées.

3.2 Nouveau réservoir MBBR

Le réservoir MBBR utilise un processus AO, construit à l'aide de réservoirs Lipp pour un assemblage modulaire, achevé en 30 jours. Le temps de rétention hydraulique (HRT) total du système est de 1,43 heures. Des transporteurs suspendus spécialisés aérobies et anoxiques de type SPR-III sont ajoutés à l'intérieur des réservoirs, avec un taux de remplissage de 60 % dans la zone aérobie et de 55 % dans la zone anoxique. Les supports sont cylindriques aplatis, de 25 mm de diamètre et 10 mm de hauteur, de surface spécifique effective supérieure ou égale à 800 m²/m³. La zone anoxique est équipée de 4 mélangeurs MBBR-à fréquence variable dédiés- (type puissance chimique SPR), N=5.5 kW chacun, assurant une fluidisation uniforme et suffisante des porteurs. Après maturation du biofilm, 2 mélangeurs fonctionnent en routine, les 2 autres étant en veille chaude. La zone aérobie utilise des ventilateurs à vis pour l'aération. Un seul ventilateur a une capacité d'air de 14,50 m³/min, une pression de 90 kPa, N=22 kW. Un ensemble de diffuseurs à tuyaux perforés dédiés à la zone aérobie (type SPR) est installé. En raison du faible volume d'aération requis, les ventilateurs de phase I existants peuvent généralement être utilisés, le nouveau ventilateur et les ventilateurs de phase I servant de secours mutuels. De nouveaux tamis d'interception de matériaux (type SPR), de 12 mm d'épaisseur, d'une durée de vie prévue de 30 ans, sont installés aussi bien dans les zones aérobies qu'anoxiques.

3.3 Nouvelles installations de soutien

• Système d'influence : Les effluents du bio-réservoir BIOLAK-sont remontés dans le réservoir MBBR. 4 des pompes d'entrée sont installées (2 en service, 2 en veille), chacune avec Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Système de dosage de source de carbone: L'effluent du biobac Phase I BIOLAK contient uniquement de la DCO difficilement valorisable. Pour assurer une dénitrification avancée dans la zone anoxique du réservoir MBBR, de l'acétate de sodium est utilisé comme source de carbone externe.. 4 des pompes doseuses sont installées (2 en service, 2 en veille), chacune avec Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.