Application du processus AAO modifié dans le traitement des eaux usées domestiques des mines de charbon
Les eaux usées domestiques des mines de charbon proviennent principalement des cantines du personnel, des dortoirs, des bureaux, des buanderies et des salles de bains, les eaux usées des bains représentant plus de 55 % du volume total. Les rejets d’eaux de baignade sont relativement concentrés, entraînant d’importantes fluctuations de débit. Caractérisé par une concentration organique plus faible et des matières en suspension (MES) plus élevées, le drainage des bains diffère considérablement des eaux usées domestiques typiques. Son schéma de rejet échelonné avec d’autres flux d’eaux usées contribue à une variabilité substantielle de la qualité de l’eau.
La plupart des mines de charbon en Chine sont situées dans des zones reculées où les coûts de transport des boues sont élevés. Par conséquent, des procédés de traitement avec un rendement en boues plus faible doivent être sélectionnés. À mesure que les mines se développent et que les effectifs augmentent, le débit des eaux usées dépasse souvent la capacité de conception initiale, ce qui nécessite des processus dotés d'une forte adaptabilité aux changements de qualité et de quantité de l'eau dans la même empreinte. Dans le cadre de politiques environnementales de plus en plus strictes exigeant une réutilisation complète des effluents traités sans rejet, les processus doivent fournir une qualité d'effluent élevée et stable.
Actuellement, le procédé AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) est le choix privilégié pour le traitement des eaux usées municipales. Cet article analyse l'efficacité de l'application d'un procédé AAO modifié (AAO + Suspended Carrier Process) pour les eaux usées domestiques des mines de charbon, en fonction de ses caractéristiques uniques.
1. Processus AAO modifié
Le procédé AAO est la configuration de flux la plus simple pour l’élimination simultanée de l’azote et du phosphore. Les bactéries filamenteuses ne peuvent pas proliférer de manière extensive dans des conditions alternées anaérobies, anoxiques et aérobies, empêchant ainsi le gonflement des boues. Il ne nécessite aucun ajout de produits chimiques, seulement un léger mélange dans des réservoirs anaérobies et anoxiques, ce qui entraîne de faibles coûts d'exploitation. Les boues ont une teneur élevée en phosphore, ce qui leur confère une bonne valeur fertilisante.
However, nitrogen removal and phosphorus removal in the AAO process are interdependent and often conflicting. Nitrifying bacteria require a long sludge age, while phosphorus removal needs a short sludge age. Limited by the sludge age required for simultaneous脱氮, enhancing phosphorus removal, especially in low-carbon wastewater, is challenging. Denitrification efficiency relates to the internal recycle ratio; excessive ratios offer limited improvement, while insufficient ratios reduce effectiveness. Typically requiring >200%, ce recyclage interne consomme une énergie importante. Les effluents entrant dans le clarificateur secondaire doivent maintenir un certain niveau d'oxygène dissous (OD) pour éviter les conditions anaérobies et la libération de phosphore, mais pas trop élevé pour éviter d'interférer avec la dénitrification dans le réservoir anoxique via la liqueur mixte recyclée.
Le processus AAO modifié (AAO + Suspended Carrier Process) atténue efficacement ces inconvénients. Il augmente la masse microbienne dans les réservoirs biologiques, améliore le chargement volumétrique, permet une séparation complète du temps de rétention hydraulique (HRT) et du temps de rétention des boues (SRT), renforce la résilience aux charges de chocs hydrauliques et organiques, offre une bonne qualité d'effluent même avec des sources à faible teneur en carbone, produit moins de boues et plus stables (réduisant les exigences en matière de capacité de traitement des boues en aval). L'effluent peut répondre aux normes de qualité de l'eau de « La réutilisation de l'eau de recyclage urbaine-Norme de qualité de l'eau pour les eaux diverses urbaines » (GB/T 18920-2020) et du « Code de conception de l'ingénierie de préparation du charbon » (GB 50359-2016) pour le lavage du charbon. Hou Feng et coll. a appliqué le processus AAO+support suspendu dans une usine souterraine de traitement des eaux usées, atteignant les normes de catégorie 1A selon la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (GB 18918-2002), avec des indicateurs clés (DCO, DBO5, NH3-N, TP) atteignant les normes de classe IV selon les « Normes de qualité environnementale pour les eaux de surface » (GB 3838-2002). Hao Ruigang et coll. a utilisé « Oxydation par biocontact A/O + Floculation à tourbillon perforé + Sédimentation en tube incliné + Filtration active sur sable » dans l'agrandissement d'une usine de traitement des eaux usées domestiques d'une mine de charbon, obtenant une qualité d'effluent meilleure que la qualité 1A. Yan Ziyu et coll. a également obtenu de bons résultats en utilisant des procédés de biofilm pour moderniser le traitement des eaux usées domestiques des mines de charbon existantes. Le processus AAO modifié permet d’augmenter la capacité et d’améliorer la qualité des effluents dans les usines existantes avec un minimum de modifications.
Ce procédé consiste à ajouter des transporteurs en suspension aux réservoirs anoxiques et aérobies, combinant les avantages des procédés à boues activées et à biofilm. Il se caractérise par une charge volumétrique élevée, une biomasse importante, une efficacité de traitement élevée, une forte adaptabilité aux produits chimiques, une stabilité de processus améliorée et une bonne élimination des nutriments. Il forme des biofilms actifs hautement spécialisés, augmentant l’efficacité par volume et la stabilité du réacteur, permettant ainsi des réacteurs plus petits. Les boues de biofilm de mue contiennent plus de protozoaires/métazoaires, ont une densité plus élevée et une taille de particules plus grande, ce qui se traduit par une bonne décantation et une séparation liquide solide - facile. Il permet une séparation complète SRT-HRT, élimine le gonflement des boues et convient aux eaux usées riches en matières organiques solubles.
2.1 Étude de cas
Une mine de charbon de la ville de Yan'an, à environ 16 km de la ville de Zichang, dispose d'une usine de traitement des eaux usées domestiques d'une capacité nominale de 1 200 m³/j. Le processus est le suivant : "Écran + Réservoir d'égalisation + AAO avec porteurs suspendus + Traitement avancé (Coagulation-Sédimentation-Filtration) + Désinfection". Les boues sont traitées par « Épaississement par gravité + Déshydratation par presse à vis ». L'effluent répond aux limites plus strictes de *GB/T 18920-2020* et GB 50359-2016 pour les eaux de lavage du charbon. L'eau traitée est réutilisée pour la verdure de la mine et comme eau d'appoint dans l'usine de préparation du charbon. La qualité de conception des influents/effluents est enTableau 1. Le flux du processus est illustré dansFigure 1.
Les eaux usées passent à travers un tamis (espace de 5 mm, angle d'installation de 75 degrés) dans un réservoir d'égalisation (L×B×H=14.0 m×6,0 m×6,0 m, profondeur effective 2,95 m, volume 247,8 m³, HRT 4,13 h), répondant aux exigences GB 50810-2012. Deux mélangeurs empêchent la décantation. Trois pompes submersibles (2 devoirs +1 veille, Q=32.5 m³/h, H=17 m, N=4 kW) élèvent l'eau vers les réservoirs biologiques.
Le système biologique est constitué de deux trains parallèles. Par train :
- Réservoir anaérobie : L×B×H=2.0 m×5,0 m×5,0 m, profondeur effective 4,5 m, HRT 1,5 h.
- Réservoir anoxique : L×B×H=4.0 m×5,0 m×5,0 m, profondeur effective 4,25 m, HRT 2,83 h.
- Réservoir aérobie : L×B×H=15.0 m×5,0 m×5,0 m, profondeur effective 4,0 m, HRT 10,0 h. Le HRT total du système est de 15,75 h. Des porteurs suspendus (taux de remplissage 80%, surface spécifique 600 m²/m³) sont installés dans le bassin aérobie. Le rapport air-sur-eau est de 13,7 : 1. Trois ventilateurs Roots (2 devoirs +1 veille, Q=6.84 m³/min, N=11 kW, P=44.1 kPa) sont utilisés. Le taux de recyclage des boues est de 100 %, le taux de recyclage des liqueurs mélangées est de 200 %.
Deux clarificateurs secondaires périphériques rectangulaires-entrée/sortie (L×B×H=5.0 m×5,0 m×3,5 m chacun) ont un taux de charge surfacique de 1,2 m³/(m²·h) et un HRT de 2,5 h.
Un purificateur d'eau intégré (combinant coagulation, sédimentation et filtration) fournit un traitement avancé pour une élimination ultérieure des MES et du phosphore.
Le traitement des boues comprend un épaississement par gravité (réservoir en acier au carbone Φ2,5 m × 5,0 m) suivi d'une déshydratation par presse à vis. Le polyacrylamide (PAM) est dosé à raison de 3,0 à 5,0 kg/t de matières sèches avant la déshydratation. Le gâteau de boues déshydratées quotidien est inférieur ou égal à 150 kg avec une teneur en humidité inférieure ou égale à 80 %, transporté hors du site-.
La désinfection utilise un générateur de ClO2 sur site- (dosage effectif de chlore 120 g/h) dosé à l'entrée du puits transparent. Le puits clair a un volume efficace de 250 m³, offrant un temps de contact de 4,2 h.
L'usine est équipée d'une surveillance en ligne étendue (débitmètres, chlore résiduel, pH, OD, DCO, turbidité, niveau/concentration des boues) et de systèmes de contrôle automatisés pour les pompes, les soufflantes, le lavage à contre-courant, le dosage de produits chimiques et le mélange, garantissant un fonctionnement intelligent et sans surveillance.
2.2 Analyse des performances
L’usine a achevé sa mise en service en 2021 et est exploitée depuis plus de deux ans. La qualité réelle des influents/effluents en 2024 est indiquée dansTableau 2.
Le rapport DBO5/N dans les affluents est de 5,5, ce qui indique un faible rapport carbone-sur-azote (C/N), qui diminue encore en été en raison de l'infiltration des précipitations et des changements d'habitudes. Les températures hivernales extrêmes à Yan'an peuvent atteindre -21 degrés. La qualité réelle des effluents est meilleure que celle prévue, avec des taux d'élimination atteignant : DCO 97,8 %, DBO5 99.7 %, SS 99,7 %, NH3-N 93,5 %, TP 87,10 %, répondant aux normes de lavage du charbon et du charbon.
La masse de biofilm actif dans les réservoirs anoxiques/aérobies atteint 125 g/m² de porteur, ce qui équivaut à un MLSS de 13 g/L-quatre fois supérieur à celui des boues activées conventionnelles. Les micro-organismes sont en phase de respiration endogène, ce qui entraîne une production quotidienne de boues environ 1/3 des méthodes conventionnelles, avec une meilleure décantation, permettant un équipement de traitement des boues plus petit.
Bien que l'oxydation par bio-contact puisse fonctionner sans recyclage des boues, les recherches de Xiong Ren et al. montre que les systèmes avec recyclage atteignent des taux d'élimination plus élevés pour la DCO, le TN, le NH3-N, les SS et réduisent le rendement en boues de 29,6 %. Cette conception intègre le recyclage des liqueurs mélangées, avec une flexibilité opérationnelle basée sur la qualité des effluents.
L'usine (1 200 m³/j) occupe 1 350,3 m², avec un investissement en capital de 20 millions CNY et un coût d'exploitation de 1,05 CNY/m³.
Comparé à l'AAO classique, qui nécessite une SRT étendue pour un fonctionnement efficace à basse température, ce processus modifié conserve la simplicité de l'élimination simultanée des nutriments tout en enrichissant la communauté biologique en porteurs. La séparation SRT-HRT améliore la bio-stabilité, garantissant un fonctionnement fiable dans des conditions de faible C/N et de basse-température. Les effluents stables peuvent être maintenus avec peu ou pas de recyclage des boues, ce qui permet une réduction des boues in situ et des coûts de traitement des boues inférieurs. Sa simplicité et son manque de volume le rendent parfaitement adapté au traitement des eaux usées domestiques des mines de charbon.
3. Recherche d'optimisation pour le processus AAO
Les processus AAO modifiés sont généralement conçus selon les paramètres de la « Norme pour la conception de l'ingénierie des eaux usées extérieures » (GB 50014-2021). Cependant, l'optimisation des paramètres opérationnels (HRT, SRT, aération, taux de recyclage, MLSS) spécifiques aux eaux usées des mines de charbon est nécessaire pour identifier les conditions optimales pour la conception et l'exploitation futures.
Dans l'AAO conventionnel, les boues sont recyclées du réservoir aérobie vers le réservoir anaérobie, contenant du nitrate et une teneur élevée en OD, ce qui peut nuire à l'élimination biologique du phosphore. Le processus de l'Université du Cap (UCT) peut être envisagé, dans lequel les boues sont recyclées vers le réservoir anoxique, la liqueur nitrifiée vers le réservoir anoxique et un recyclage supplémentaire du réservoir anoxique vers le réservoir anaérobie est ajouté pour améliorer l'élimination du bio-P.
Le traitement des boues peut représenter 50 à 60 % des coûts d'exploitation d'une usine. Des technologies de réduction des boues in-doivent être adoptées. Le MLSS élevé dans les bioréservoirs AAO modifiés- conduit à un rapport F/M élevé, où un métabolisme de découplage peut se produire, favorisant la réduction des boues et réduisant les coûts de traitement des boues. À l'avenir, l'accent devrait être mis sur l'application de technologies de réduction in situ - telles que la croissance cryptique via la micro-lyse, le processus oxique-décantation-anaérobie (OSA) et le découplage du métabolisme dans le traitement des eaux usées des mines de charbon.
Ce procédé convient à la modernisation des centrales AAO existantes dans les mines de charbon. L'ajout de transporteurs aux réservoirs anoxiques/aérobies peut améliorer la qualité des effluents, augmenter la capacité et améliorer la stabilité du système. Pour les usines ayant des exigences plus strictes en matière d'effluents, le remplacement du clarificateur secondaire par un système MBR peut améliorer encore la qualité de l'eau.
4. Conclusion
- Le processus AAO modifié convient à la mise à niveau des systèmes AAO existants dans les mines de charbon afin d'améliorer la stabilité, d'augmenter la capacité ou de répondre à des normes plus strictes.
- Lors du traitement des eaux usées domestiques des mines de charbon, les effluents peuvent simultanément répondre aux normes *GB/T 18920-2002* pour l'arrosage des routes/la verdure et aux normes GB 50359-2016 pour l'eau de lavage du charbon, démontrant une forte adaptabilité aux changements de qualité et de quantité de l'eau.
- Le procédé produit des boues stables avec une bonne décantation et une séparation facile, génère moins de boues et réduit les coûts de traitement des boues.