Étude de cas du processus MBBR+ACCA pour la modernisation et la reconstruction d'une station d'épuration des eaux usées urbaines
Dans le contexte d'une économie chinoise en plein essor, le rythme de l'industrialisation et de l'urbanisation s'est considérablement accéléré. Ce processus s'accompagne inévitablement d'une augmentation d'année en année--des rejets d'eaux usées industrielles et d'eaux usées domestiques, exacerbant les problèmes de pollution de l'eau et ayant un impact sur la construction d'une civilisation écologique durable en Chine. Avec la mise en œuvre complète du Plan d'action pour la prévention et le contrôle de la pollution de l'eau, des exigences de rejet plus strictes ont été imposées aux usines de traitement des eaux usées urbaines à travers le pays. Les normes locales dans certaines villes ont atteint une qualité d'eau de quasi-classe IV, et pour les effluents rejetés dans des masses d'eau sensibles, certains indicateurs individuels se rapprochent progressivement de la norme de classe III pour les eaux de surface. Cependant, les polluants résiduels dans les eaux usées urbaines après traitement biologique sont principalement des composés organiques non-biodégradables et peu biodégradables. S'appuyer uniquement sur les technologies traditionnelles d'amélioration biologique est devenu insuffisant pour répondre aux normes d'émission de plus en plus strictes.
Le coke activé possède un système mésoporeux très développé capable d'adsorber les polluants macromoléculaires présents dans l'eau. Avec une résistance mécanique élevée, une stabilité, de bonnes performances d'adsorption et un coût relativement économique, il a été largement appliqué dans le traitement des eaux usées industrielles difficiles à biodégrader. Ces dernières années, la technologie de filtration utilisant le coke activé comme milieu a également trouvé certaines applications dans le traitement avancé des stations d'épuration municipales, obtenant de bons résultats dans l'élimination finale des polluants. En combinant un exemple d'ingénierie provenant d'un projet de modernisation d'une usine de traitement des eaux usées dans la province du Henan, l'auteur a adopté le procédé MBBR + ACCA (Adsorption circulante de coke activé) pour améliorer le traitement des eaux usées urbaines. Les indicateurs DCO, NH₃-N et TP des effluents répondaient à la norme d'eau GB 3838-2002 Classe III, fournissant une référence pour les projets de mise à niveau dans d'autres usines de traitement des eaux usées.
1. Situation de base de la station d'épuration des eaux usées
La capacité nominale totale de cette usine de traitement des eaux usées est de 50 000 m³/j, comprenant une capacité nominale de phase I de 18 000 m³/j et une capacité nominale de phase II de 32 000 m³/j. Elle traite principalement les eaux usées domestiques urbaines et une petite quantité d’eaux usées industrielles. Une mise à niveau a été achevée en 2012, les effluents répondant à la norme de qualité 1A de la norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales GB 18918-2002. Le processus principal est un AO à plusieurs étages - + un filtre de dénitrification + un bassin de sédimentation haute densité. Le flux du processus est illustré dansFigure 1.
Actuellement, la station d’épuration des eaux usées fonctionne presque à pleine capacité. Sur la base des données opérationnelles actuelles, avec un bon entretien de l'usine, la qualité des effluents peut être maintenue de manière stable selon la norme GB 18918-2002 Grade 1A. Les concentrations d'effluents pour la DCO, la DBO₅, le NH₃-N, le TN et le TP varient respectivement de 21,77 à 42,34 mg/L, de 1,82 à 4,15 mg/L, de 0,13 à 1,67 mg/L, de 8,86 à 15,74 mg/L et de 0,19 à 0,42 mg/L.
Avant la mise à niveau, l'usine était confrontée aux problèmes suivants : 1) Les grilles vieillissantes et endommagées dans la section de prétraitement ont permis à certains débris flottants de pénétrer dans les réservoirs biologiques, obstruant facilement les pompes et affectant le traitement ultérieur ; 2) Élimination instable du TN lors de basses températures hivernales et de fluctuations importantes de la qualité et de la quantité de l'eau ; 3) Volume de réservoir insuffisant dans les réservoirs biologiques de phase I et séparation déraisonnable des zones anoxiques, conduisant à une mauvaise efficacité d'élimination du TN et à un dosage chimique élevé pour l'ajout ultérieur de sources de carbone ; 4) Le système d'aération d'origine utilisait des ventilateurs centrifuges traditionnels obsolètes à forte consommation d'énergie ; 5) Colmatage sévère des médias filtrants dans les filtres de dénitrification, lavage à contre-courant incomplet et difficulté de fonctionnement stable ; 6) Pannes fréquentes des équipements de mélange et d'agitation dans les bassins de sédimentation à haute densité ; 7) Défaillances fréquentes des deux filtres-presses à bande existants pour la déshydratation des boues, teneur élevée en humidité des boues déshydratées, volume important de boues et coûts élevés d'élimination des boues ; 8) Manque d'installations de contrôle des odeurs pour les systèmes de prétraitement et de traitement des boues ; 9) Système de contrôle central obsolète avec capacité de stockage de données limitée et perte de la plupart des fonctions d'exploitation à distance.
2. Concevoir la qualité de l’eau
Compte tenu d'années de données opérationnelles sur la qualité de l'eau de l'usine, avec un niveau de confiance de 90 % et incluant une certaine marge, la qualité de conception de l'influent a été déterminée. Sur la base des exigences de qualité environnementale du plan d'eau récepteur, les effluents valorisés DCO, DBO₅, NH₃-N et TP doivent répondre à la norme d'eau GB 3838-2002 de classe III, tandis que TN et SS respecteront la norme d'origine. Les qualités de conception des influents et des effluents sont indiquées dansTableau 1.
3. Mise à niveau du concept et du flux de processus
3.1 Concept de mise à niveau
Selon la qualité de conception des effluents, cette mise à niveau impose des exigences plus élevées en matière de DCO, DBO₅, NH₃-N et TP. Compte tenu du processus actuel de l'usine, des caractéristiques de la qualité de l'eau et des problèmes existants, l'accent est mis sur une élimination améliorée de la DCO, du NH₃-N et du TP tout en garantissant une élimination stable du TN. De plus, l'espace disponible limité au sein de l'usine existante nécessite d'exploiter pleinement le potentiel des structures existantes grâce au renouvellement des équipements, à l'intensification des processus et à la rénovation, dans le but d'éliminer efficacement la DCO, le NH₃-N, le TN et le TP. Par conséquent, l'utilisation des réservoirs AO à plusieurs étages d'origine -et l'ajout de transporteurs suspendus pour former un processus MBBR de boues activées à biofilm hybride-peut améliorer efficacement la stabilité du traitement et la résistance aux charges de choc. Le long vieillissement des boues du biofilm sur les supports est adapté à la croissance des nitrifiants et au maintien de concentrations élevées de nitrifiants, améliorant ainsi considérablement la capacité de nitrification du système. Le biofilm dense à l'intérieur des supports a un long âge de boue, hébergeant des populations importantes de bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes, permettant une nitrification-dénitrification (SND) simultanée et renforçant ainsi l'élimination du TN. Par conséquent, le processus MBBR est bien adapté-à la mise à niveau de cette usine.
Sur la base d'une expérience de projet de mise à niveau similaire, pour garantir une conformité stable pour la DCO et le TP, des installations de traitement de sauvegarde supplémentaires sont toujours nécessaires en plus du processus existant couplé au MBBR. Le coke activé, en tant que matériau poreux, présente des performances d'adsorption plus importantes que le charbon actif, éliminant efficacement la DCO, les SS, le TP, la couleur, etc. De plus, le coke biologiquement activé peut utiliser des micro-organismes attachés pour dégrader la matière organique, permettant ainsi la régénération des sites d'adsorption tout en adsorbant les polluants. Ce mécanisme d’équilibre dynamique permet un fonctionnement soutenu et stable du système. Le procédé d'adsorption circulante de coke activé (ACCA) utilise du coke activé comme milieu, intégrant la filtration et l'adsorption. Il utilise de l'air comprimé pour soulever et nettoyer le média filtrant. Grâce au zonage à flux inversé-et à la conception à flux uniforme, il garantit un contact complet entre le coke activé et les eaux usées, permettant ainsi une amélioration ultime de la qualité de l'eau et garantissant une conformité stable des effluents.
Les équipements vieillissants et défectueux de l'usine seront remplacés par des équipements technologiquement avancés et économes en énergie afin de réduire les coûts d'exploitation. Plus précisément, les écrans de prétraitement seront remplacés par des écrans fins alimentés en interne pour intercepter les cheveux et les fibres, empêchant ainsi le colmatage des écrans de rétention du support MBBR.
3.2 Flux de processus
Le flux de processus mis à niveau est présenté dansFigure 2. Pour répondre aux exigences de hauteur de chute, une nouvelle station de pompage de relevage a été ajoutée. Un filtre de type V- nouvellement construit sert d'unité de prétraitement pour l'adsorption ultérieure du coke activé, garantissant ainsi la stabilité du système ACCA. L'eau brute passe à travers des tamis et des chambres à sable pour éliminer les matières flottantes, les cheveux et les particules avant d'entrer dans les réservoirs biologiques hybrides MBBR pour une meilleure élimination de l'azote. La liqueur mélangée entre ensuite dans des clarificateurs secondaires pour la séparation des solides. Le surnageant est évacué via la nouvelle station de pompage vers des filtres de dénitrification et des bassins de sédimentation à haute densité. L'effluent est ensuite soulevé par la nouvelle station de pompage dans le filtre de type V-et dans des réservoirs d'adsorption de coke activé à deux étages-pour un traitement avancé, éliminant davantage la DCO, le TP, les SS, la couleur, etc. L'effluent final est désinfecté avant son rejet.
4. Paramètres de conception des principales unités de traitement
4.1 Réservoirs biologiques
Les réservoirs biologiques de phase I existants sont divisés en deux groupes avec un volume de réservoir relativement petit mais une structure solide. Ainsi, pour cette mise à niveau, tout en répondant aux exigences de hauteur d’élévation, les parois du réservoir ont été surélevées de 0,5 m. Après rénovation, le volume efficace total est de 10 800 m³, avec un HRT total de 14,4 h et un HRT de zone anoxique de 6,4 h, augmentant le temps de rétention anoxique pour améliorer l'élimination du TN. Les réservoirs biologiques de phase II existants ont un volume efficace de 19 600 m³, un HRT total de 14,7 h et un HRT en zone anoxique de 6,8 h. Ce projet impliquait le remplacement des systèmes d'aération et de certains mélangeurs submersibles vieillissants dans les réservoirs biologiques des phases I et II, ainsi que l'ajout de supports suspendus et de tamis de rétention. Les supports sont constitués de polyuréthane ou d'autres matériaux composites à hautes performances, avec une spécification cubique de 24 mm, une surface spécifique de 4 000 m²/m³ et un taux de remplissage de 20 %. L'AOR du système de traitement biologique est de 853,92 kg O₂/h, avec un débit d'air d'alimentation de 310,36 Nm³/min.
4.2 Station de pompage de relevage et réservoir d'eaux usées
Une nouvelle station de pompage de relevage a été construite pour pomper les effluents des bassins de sédimentation à haute densité vers le filtre de type V pour un traitement ultérieur. Un réservoir d’eaux usées stocke les eaux usées du lavage à contre-courant des filtres. De petites pompes sont utilisées pour pomper uniformément les eaux usées du lavage à contre-courant dans les réservoirs biologiques de la phase II afin d'éviter les surcharges. Trois pompes de relevage secondaires ont été installées (2 devoirs + 1 en veille, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW), avec commande d'entraînement à fréquence variable (VFD). Le réservoir d'eaux usées de lavage à contre-courant est équipé de 2 pompes de transfert (1 service + 1 veille, Q=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) et d'un mélangeur submersible (N=2.2 kW) pour éviter la sédimentation.
Filtre de type 4,3 V-
Un nouveau filtre de type V-a été construit avec des dimensions structurelles de 36,9 m (L) × 29,7 m (L) × 8,0 m (H). Il utilise un média filtrant homogène en sable de quartz. Le filtre est divisé en 6 cellules disposées sur deux rangées. Le tuyau de sortie de chaque cellule est doté d'une vanne de régulation électrique pour contrôler le fonctionnement à niveau d'eau constant. Le processus de lavage à contre-courant peut être régulé via PLC. Le débit de filtration de conception est de 7,0 m/h, le débit de filtration forcée est de 8,4 m/h et la surface de filtration à cellule unique-est de 49,4 m². L'intensité de l'eau de lavage à contre-courant est de 11 m³/(m²·h), l'intensité de l'air de lavage à contre-courant est de 55 m³/(m²·h) et l'intensité du balayage de surface est de 7 m³/(m²·h). La durée du lavage à contre-courant est de 10 minutes. Le cycle de lavage à contre-courant dure 24 heures (réglable), lavant une cellule à la fois. La taille du sable de quartz est de 1-1,6 mm avec k₈₀ < 1,3. Des plaques filtrantes monolithiques coulées sur place-sont utilisées.
4.4 Réservoirs d'adsorption de coke activé
Un nouveau réservoir d'adsorption de coke activé a été construit avec des dimensions structurelles de 49,5 m (L) × 30,15 m (L) × 11,0 m (H). Il utilise une configuration de filtration en deux -étages avec un total de 36 cellules, soit 18 cellules par étage. Le débit de filtration maximum est de 6,02 m³/(m²·h), avec une moyenne de 4,63 m³/(m²·h). Les dimensions de la cellule unique du premier-étage-sont L×L×H=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m, avec un temps de contact en lit vide (EBCT) de 1,4 h. Les dimensions de la cellule unique du deuxième-étage-sont L×L×H=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m, avec un EBCT de 1,08 h. Le système utilise 2 000 tonnes de coke activé d'une granulométrie de 2 à 8 mm, équipé de laveurs de coke mobiles, de distributeurs d'eau, de déversoirs d'entrée/sortie, etc.
4.5 Bâtiment de coke activé
Un nouveau bâtiment de coke activé a été construit pour stocker le coke activé et l'alimenter vers les réservoirs d'adsorption. Les dimensions structurelles sont de 33,5 m (L) × 13,0 m (L) × 6,5 m (H). Les principaux équipements auxiliaires comprennent : 1 tamis vibrant de déshydratation du coke activé, 3 pompes d'alimentation en coke (2 en service + 1 en veille, Q=40 m³/h, H=25 m, N=7.5 kW), 2 pompes de refoulement de filtrat (1 en service + 1 en veille, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 compresseurs d'air (1 service + 1 veille, Q=7.1 m³/min, N=37 kW) et un réservoir de réception d'air (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Salle de déshydratation à plaques-et-cadres
Une nouvelle salle de déshydratation à plaques-et-cadres a été construite à côté de la salle de déshydratation des boues existante. En raison du manque d'espace, un ensemble de filtres-presses à plaques-et-cadres (surface de filtration de 300 m²) a été configuré, servant de secours au filtre-presse à bande. Les installations auxiliaires comprennent un réservoir de conditionnement (volume effectif 80 m³). La quantité de boues est de 6 150 kg DS/j, avec une teneur en humidité des boues d'alimentation épaissies de 97 % et une teneur en humidité des tourteaux déshydratés de 60 %. L'équipement auxiliaire principal comprend : 2 pompes d'alimentation (1 service + 1 veille, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pompes à eau de presse (1 service + 1 veille, Q=12 m³/h, H=187 m, N=11 kW), 1 pompe de lavage (Q=20 m³/h, H=70 m, N=7.5 kW), 2 pompes doseuses (1 service + 1 veille, Q=4 m³/h, H=60 m, N=3 kW), 1 compresseur d'air (Q=3.45 m³/min, N=22 kW), 1 jeu de réservoirs de réception d'air (V=5 m³, P=1.0 MPa), et 1 ensemble d'unité de préparation PAM (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Système de contrôle des odeurs
Un nouveau système de contrôle des odeurs par biofiltration a été ajouté avec un débit d'air nominal de 12 000 m³/h. Des tuyaux en plastique renforcé de verre (PRV) sont utilisés pour collecter et traiter les odeurs provenant des systèmes de prétraitement et de traitement des boues. Des cadres en acier inoxydable et des panneaux d'endurance en PC sont utilisés pour sceller l'équipement de prétraitement.
4.8 Autres mises à jour des installations
- Remplacé par 2 tamis fins alimentés en interne avec une ouverture de 5 mm, avec convoyeurs à vis et réservoir d'eau de lavage, V=10 m³ et 2 pompes à eau de lavage (1 service + 1 veille, Q=25 m³/h, H=70 m, N=11 kW).
- Remplacé par 4 soufflantes à suspension pneumatique plus efficaces, contrôlées par VFD (3 devoirs + 1 veille, Q=130 m³/min, P=63 kPa, N=150 kW).
- Remplacement du média filtrant des filtres de dénitrification existants par 1 800 m³ de média céramique (granulométrie 3-5 mm).
- Remplacement de 2 agitateurs mélangeurs dans les bassins de décantation haute-densité (vitesse 60-80 tr/min, N=5.5 kW), de 4 agitateurs de floculation (vitesse 10-20 tr/min, N=2.2 kW) et des décanteurs tubulaires (260 m²).
- Remplacement du filtre-presse à bande par une bande de 2 m de large et un compresseur d'air correspondant, 1 jeu.
- En utilisant la salle de contrôle centrale d'origine, des équipements et des instruments mis à jour et un contrôle centralisé établi, nous avons établi un système de communication de données à l'échelle de l'usine pour assurer la communication des données entre la salle de contrôle centrale et les sous-stations, ainsi que l'automatisation du contrôle des processus de production.
5. Performance opérationnelle et indicateurs techniques-économiques
5.1 Performance opérationnelle
Après l'achèvement de ce projet de mise à niveau, toutes les unités de traitement fonctionnent de manière stable. Les données de surveillance de la qualité des eaux d’entrée et de sortie pour 2023 sont présentées dansTableau 2.
Comme indiqué, les concentrations moyennes d'effluents pour la DCO, le NH₃-N, le TN, le TP et la SS étaient de 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 et 2,63 mg/L, avec des taux d'élimination moyens de 95,16 %, 99,45 %, 77,31 %, 94,75 % et 97,38 %, respectivement. Les effluents DCO, NH₃-N et TP répondaient systématiquement à la norme d'eau GB 3838-2002 de classe III.
Le projet modernisé est opérationnel depuis près de deux ans. Les résultats indiquent que le processus MBBR+ACCA est stable, efficace et produit des effluents de haute-qualité, démontrant une forte résistance aux charges de choc et aux conditions de basse-température. Même avec une température hivernale minimale de l'eau de 9,4 degrés et des fluctuations importantes de la qualité de l'eau, la qualité des effluents est restée stable et répondait aux normes de rejet. Avant et après la mise à niveau, le dosage de la source de carbone n'a pas augmenté, mais l'élimination du TN a été considérablement améliorée. En effet, d’une part, les micro-organismes nitrifiants attachés aux supports MBBR se développent et s’accumulent dans un environnement aérobie stable, conduisant à une nitrification plus complète. D’autre part, les nitrates ont été davantage éliminés dans les réservoirs MBBR et les réservoirs anoxiques améliorés. Le système ACCA final agit comme une protection, adsorbant et éliminant davantage les DCO, TP, SS, etc. récalcitrants, rendant la qualité des effluents plus stable. De plus, après la mise en œuvre du projet, l'usine peut produire de l'eau récupérée de haute qualité-, jetant ainsi les bases d'une réutilisation future de l'eau.
5.2 Indicateurs techniques-économiques
L'investissement total pour ce projet était de 86 937 600 RMB, comprenant des coûts de construction et d'installation de 74 438 500 RMB, d'autres dépenses de 7 593 500 RMB, des coûts d'imprévus de 4 101 600 RMB et un fonds de roulement initial de 804 000 RMB. Après un fonctionnement stable du système, le coût supplémentaire de l'électricité pour l'ensemble de l'usine est de 0,11 RMB/m³, le coût du coke activé est de 0,39 RMB/m³, ce qui entraîne une augmentation totale des coûts d'exploitation d'environ 0,50 RMB/m³.
6.Conclusion
- Ce projet a mis en œuvre le renouvellement des équipements, l'intensification des processus et la rénovation de l'usine de traitement des eaux usées existante, et a ajouté un traitement avancé, améliorant l'efficacité de l'élimination de la DCO, du NH₃-N, du TN et du TP.
- Après la mise à niveau, en utilisant le processus principal « MBBR+ACCA », la DCO, le NH₃-N et le TP des effluents se sont améliorés de manière stable du grade 1A à la norme de classe III des eaux de surface, et l'élimination du TN a été considérablement améliorée.
- La pratique montre que ce processus fonctionne de manière stable et efficace, résiste aux chocs de charge, produit des effluents de haute-qualité et ajoute un coût d'exploitation d'environ 0,50 RMB/m³. Il peut servir de référence pour les projets de modernisation et les initiatives de réutilisation de l’eau dans d’autres usines de traitement des eaux usées.