Effet opérationnel du projet de modernisation de la station d'épuration des eaux usées de Tianjin
Une usine de traitement des eaux usées à Tianjin a fait l'objet d'un projet de modernisation et de rénovation adoptant le procédé Bardenpho modifié-MBBR, élevant la qualité des effluents de la norme de catégorie A spécifiée dans la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (GB 18918-2002) à la norme de classe A de la norme locale de Tianjin DB 12/599-2015. Le processus du réacteur à biofilm à lit mobile (MBBR) consiste à ajouter des supports en suspension MBBR dans le réacteur, fournissant des sites de fixation microbienne et formant des biofilms attachés, augmentant ainsi la biomasse efficace dans le système et réalisant l'élimination des polluants. Le procédé MBBR offre des avantages tels qu'une charge de traitement élevée, une forte résistance aux charges de choc, des performances de traitement stables, une gestion opérationnelle simple et un fonctionnement flexible du processus. Un nombre croissant de STEP en Chine adoptent le processus MBBR pour leur rénovation. Cet article analyse les performances opérationnelles d'une STEP de Tianjin après sa modernisation, dans le but de fournir une référence pour des projets de modernisation similaires.
1. Processus actuel d’élimination biologique de l’azote et du phosphore
Le bassin biologique d'origine utilisait un procédé A²/O avec une capacité de traitement de 12 500 t/j. L'âge total de conception des boues était de 14 jours, la concentration de matières en suspension dans la liqueur mélangée (MLSS) était de 3 500 mg/L, la température de l'eau de conception était de 10 degrés, le rendement des boues était de 0,936 kgSS/kgDBO et la charge de boue était de 0,082 kgBOD/kgMLSS. La profondeur d'eau effective du réservoir biologique était de 6 m, avec un volume total du réservoir de 9 052,2 m³ et un temps de rétention hydraulique total (HRT) de 17,4 heures. La distribution du THS était la suivante : zone de sélection 0,58 h, zone anaérobie 1,38 h, zone anoxique 2,85 h, zone de swing 0,92 h et zone aérobie 11,67 h. Le recyclage des boues était de 100 % et le recyclage interne des liqueurs mélangées était de 300 %. Le réservoir biologique d'origine se composait principalement de sections anaérobies-anoxiques-aérobies. Les paramètres de fonctionnement pourraient être ajustés en fonction des conditions d'influent et des exigences en matière d'effluents pour parvenir à l'élimination de l'azote et du phosphore, la qualité des effluents répondant à la norme de catégorie A de GB 18918-2002.
2. Aperçu du projet de mise à niveau et de rénovation
Cette mise à niveau visait à améliorer la qualité des effluents afin de répondre à la norme de classe A de la norme locale de Tianjin « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (DB 12/599-2015). La qualité de l'influent et de l'effluent conçue est indiquée dansTableau 1. Selon les valeurs TN de conception des influents et des effluents, l’obtention d’un TN d’effluent inférieur à 10 mg/L nécessite un taux de dénitrification de 75,6 % dans le système de réservoir biologique. Le réservoir biologique d'origine utilisait une configuration A²/O. Les calculs basés sur la configuration originale du réservoir ont indiqué que le taux de recyclage interne devrait augmenter de 200 % à 310 %, parallèlement à l'ajout d'une grande quantité de source de carbone externe. Cela augmenterait non seulement les coûts d'exploitation, mais également le grand volume de flux de recyclage interne pourrait perturber l'environnement anoxique. Cela pourrait conduire à ce que le THS réel dans la zone anoxique soit inférieur à l'exigence minimale, affectant ainsi l'efficacité de la dénitrification. Le processus MBBR améliore la capacité de dénitrification du système et améliore la qualité des effluents en ajoutant des transporteurs en suspension pour augmenter la concentration de biomasse dans le réservoir, répondant ainsi aux exigences de mise à niveau.
Sans modifier le volume du réservoir biologique existant, les zones fonctionnelles internes du réservoir biologique ont été reconfigurées. La configuration A²/O d'origine (anaérobie-anoxique-aérobie) a été modifiée en une configuration Bardenpho en 6-étapes : zone anaérobie, zone anoxique, zone de swing, zone aérobie, zone post-anoxique et zone post-aérobie. Plus précisément, la zone de sélection originale a été convertie en zone anaérobie. La zone anaérobie d'origine, la zone oscillante (partie avant) et la zone anoxique ont toutes été utilisées comme zone pré-anoxique. La moitié avant du premier couloir de la zone aérobie d'origine a été transformée en zone de swing. Les premier, deuxième et troisième couloirs aérobies d'origine ont été convertis en zone MBBR, où des transporteurs suspendus ont été ajoutés, ainsi que des systèmes de filtrage d'entrée/sortie et un système d'aération auxiliaire inférieur. Le quatrième couloir aérobie a été converti en zone post-anoxique. La zone de swing d'origine a été fonctionnellement divisée et ajustée en zones post-anoxiques et post-aérobies. Les paramètres du bassin biologique rénové sont indiqués dansTableau 2.
Concernant le fonctionnement du procédé, la liqueur mélangée provenant de la zone aérobie est recyclée vers la zone anoxique, et une source de carbone est ajoutée dans la zone anoxique. Les bactéries dénitrifiantes utilisent la source de carbone pour la dénitrification afin d'éliminer l'azote nitrate produit dans la zone aérobie. L'azote nitrique résiduel pénètre dans la zone post-anoxique, où une source de carbone supplémentaire est ajoutée pour poursuivre la dénitrification. Après rénovation, la concentration de matières en suspension dans la liqueur mixte (MLSS) est de 4 000 mg/L, le recyclage des boues est de 50 % à 100 %, le recyclage interne de la liqueur mixte est de 200 % à 250 % et l'oxygène dissous dans la zone MBBR est de 2 à 5 mg/L. L'organigramme du processus après la rénovation est présenté dansFigure 1.
3. Mise en service du système après rénovation du réservoir biologique
Une fois la rénovation du bassin biologique terminée, la phase de mise en service a commencé. Des boues déshydratées provenant d'une autre STEP ont été ajoutées au réservoir biologique, augmentant rapidement la concentration des boues jusqu'à plus de 3 000 mg/L en peu de temps. Cela a raccourci la période de culture et d'acclimatation des boues, permettant un démarrage rapide du bassin biologique et la restauration de sa capacité d'élimination de l'azote et du phosphore. Pendant la période d’essai, en raison du débit d’affluent et des concentrations de polluants relativement faibles, la charge opérationnelle réelle était inférieure à la charge de conception. L'approche consistait d'abord à cultiver et à acclimater les boues activées jusqu'à ce que le système biologique se stabilise et que la qualité des effluents réponde aux normes, puis à ajouter des supports MBBR pour la formation de biofilm.
Après avoir ajouté les supports à la section aérobie du réservoir biologique, ils ont d’abord été immergés. Les micro-organismes se sont progressivement attachés à leurs surfaces. Visuellement, la couleur de la surface porteuse est passée du blanc à un jaune légèrement terreux à mesure que davantage de micro-organismes s'attachaient et que le biofilm devenait plus dense. La couleur du support s'est progressivement approfondie. Deux mois après l'ajout du support, la formation de biofilm était bonne, la surface du support apparaissant brun jaunâtre- et la couleur s'approfondissant progressivement. Quatre mois après l’ajout du support, le biofilm sur la surface du support est apparu brun foncé et dense. La progression de la formation du biofilm pourrait être observée intuitivement sur la base des changements de couleur du support, comme le montreFigure 2. En décembre 2021, l'examen microscopique des boues activées du bassin biologique et des boues des transporteurs a révélé des structures de flocs compactes présentant de bonnes propriétés d'adsorption et de décantation. Visuellement, les supports présentaient une formation évidente de biofilm. L'examen microscopique a identifié des organismes tels que Vorticella, Opercularia et Epistylis, avec des observations occasionnelles de quelques ciliés mobiles, indiquant l'achèvement de l'étape de formation du biofilm.
4. Performance opérationnelle après rénovation du réservoir biologique
4.1 Performances d'élimination de la DCO et de la DBO après rénovation
Les valeurs DCO et DBO des effluents pour 2022 sont présentées dansFigure 3. La DCO des effluents variait de 10,2 à 24,9 mg/L, avec une moyenne de 18,0 mg/L. La DBO des effluents variait de 2,1 à 4,9 mg/L, avec une moyenne de 3,4 mg/L. La DCO et la DBO des effluents répondaient de manière stable à la norme locale de classe A de Tianjin. Le système rénové a non seulement démontré de bonnes performances d'élimination de la DCO et de la DBO, mais a également maintenu des niveaux de DCO et de DBO des effluents stables et conformes pendant la saison des crues, même lorsque la charge d'affluent réelle de l'usine atteignait 110 % de sa capacité nominale. Cela indique que le système possède une bonne résistance aux charges de choc.
4.2 Performances d'élimination pour TN et NH₃-N après rénovation
Les valeurs TN des effluents et NH₃-N pour 2022 sont indiquées dansFigure 4. Le TN variait de 3,72 à 8,74 mg/L, avec une moyenne de 6,43 mg/L. NH₃-N variait de 0,02 à 1,25 mg/L, avec une moyenne de 0,12 mg/L. Pendant le fonctionnement hivernal, en raison des températures plus basses, les taux de nitrification et de dénitrification ont diminué. En pratique, la concentration des boues a été augmentée jusqu'à dépasser 6 000 mg/L. Un fonctionnement à forte concentration de boues est bénéfique pour améliorer la résistance du système biologique aux charges de choc, en particulier à basses températures. La synergie entre la concentration élevée des boues et le biofilm attaché aux supports MBBR améliore l'effet de traitement du système biologique.
Les porteurs MBBR fournissent un environnement favorable aux communautés microbiennes, favorisant leur croissance et leur reproduction. Après acclimatation et maturation, la capacité de nitrification et de dénitrification du biofilm se renforce. Les micro-organismes s'attachent et se développent en couches sur la surface du support, augmentant la densité des zoogloées et formant de grandes structures de boues denses et rapidement stables. Lorsqu'ils sont confrontés à des changements externes de la qualité de l'eau, les micro-organismes présents sur la surface porteuse sécrètent des substances polymères extracellulaires (EPS) pour leur auto-protection, réduisant ainsi l'impact des changements soudains de la qualité de l'eau sur les micro-organismes de la couche interne-.
Dans les STEP employant le procédé MBBR, des phénomènes simultanés de nitrification et de dénitrification (SND) ont été observés dans la zone porteuse aérobie. Les tests des valeurs TN de l'influent et de l'effluent de la zone porteuse aérobie ont révélé une différence de 2 à 6 mg/L. Cette différence était plus prononcée, en particulier lorsque la teneur en oxygène dissous dans le réservoir aérobie était contrôlée en dessous de 2 mg/L, ce qui indique un SND plus important dans des conditions de faible teneur en oxygène dissous. L’effluent TN du bassin de décantation secondaire répond pleinement aux normes, ce qui signifie que l’élimination du TN a été réalisée au cours de l’étape de traitement biologique. En fonctionnement réel, le filtre dénitrifiant en lit profond-fonctionne comme un processus de sauvegarde. Dans des conditions normales, il fonctionne comme un filtre régulier pour garantir que les indicateurs SS répondent aux normes.
4.3 Performances de retrait des TP et SS après rénovation
Les valeurs TP et SS des effluents pour 2022 sont indiquées dansFigure 5. Le TP des effluents de la STEP variait entre 0,04 et 0,22 mg/L, avec une moyenne de 0,10 mg/L. Les MES des effluents variaient de 1 à 4 mg/L, avec une moyenne de 2,2 mg/L. Après la mise à niveau, le TP de l'effluent du bassin de décantation secondaire était d'environ 1,0 mg/L et le SS d'environ 26 mg/L. En ajoutant du chlorure ferrique et du PAM dans le bassin de sédimentation à haute efficacité-pour améliorer la coagulation et grâce à une purification plus poussée dans le filtre dénitrifiant à lit profond-, les effluents TP et SS répondaient de manière stable à la norme locale de classe A de Tianjin, et la valeur de couleur était considérablement réduite.
5. Conclusion
Pour répondre à la norme locale de classe A de Tianjin, le processus A²/O d'origine de la STEP a été transformé en une configuration Bardenpho en cinq -étapes, incorporant le processus MBBR dans la section aérobie pour améliorer l'élimination biologique de l'azote, réduisant ainsi les effluents TN et NH₃-N. Pendant la saison des crues avec débit de surcharge, tous les indicateurs ont répondu aux normes de manière stable, démontrant une bonne résistance aux chocs. Après la rénovation du réservoir biologique, le taux de recyclage interne était de 200 à 300 %, le recyclage externe des boues était de 50 à 100 %, la concentration des boues était de 4 000 à 6 000 mg/L, l'oxygène dissous dans la zone aérobie était contrôlé à 3 à 5 mg/L et l'oxygène dissous dans la zone anaérobie était contrôlé à 0,2 à 0,5 mg/L. En 2022, la qualité des effluents de la STEP était : DCO 10,2-24,9 mg/L, moyenne 18,0 mg/L ; DBO 2,1 à 4,9 mg/L, moyenne 3,4 mg/L ; NH₃-N 0,02 à 1,25 mg/L, moyenne 0,12 mg/L ; TN 3,72 à 8,74 mg/L, moyenne 6,43 mg/L ; TP 0,04 à 0,22 mg/L, moyenne 0,1 mg/L ; SS 1 à 4 mg/L, moyenne 2,2 mg/L. Tous répondent de manière stable à la norme de classe A de la norme locale de Tianjin « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (DB 12/599-2015).