Comparaison des processus d'AO en deux -étapes et d'AO en trois- étapes : une ingénierie Perspective
Actuellement, la majorité des usines de traitement des eaux usées (STEP) en Chine adoptent des procédés à base de boues activées-pour le traitement des eaux usées. Parmi ceux-ci, près de la moitié utilisent le procédé Anoxic-Oxic (AO). Le processus AO offre des avantages tels qu’un fonctionnement stable et un faible coût. Cependant, son efficacité d'élimination de l'azote total (TN), généralement comprise entre 60 % et 80 %, est limitée par les taux de recyclage internes. Avec des exigences nationales de plus en plus strictes en matière d'élimination de l'azote, les processus AO conventionnels -en une seule étape ont souvent du mal à répondre aux demandes de traitement du TN. Des processus AO en plusieurs -étapes ont ainsi émergé. En connectant deux ou plusieurs étapes AO en série, le nitrate produit lors de l’étape aérobie précédente fournit le substrat pour la dénitrification lors de l’étape anoxique suivante. Cela permet d'atteindre l'objectif de réduire le taux de recyclage interne tout en améliorant l'élimination globale du TN. Cependant, des étapes excessives peuvent également accroître la complexité opérationnelle. Par conséquent, les configurations les plus couramment appliquées en Chine sont actuellement les processus AO en deux-et trois-étapes. Cet article présente une analyse comparative des processus AO en deux-et trois-étapes utilisant une STEP dans le sud de la Chine comme étude de cas, visant à fournir une référence pour la sélection d'itinéraires techniques dans des projets similaires.
1 Aperçu du projet
Une STEP dans le sud de la Chine couvre une superficie totale de 8 hectares. Sa capacité de conception initiale était de 90 000 m³/j, la qualité des effluents devant répondre à la fois à la norme de catégorie A de la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (GB 18918-2002) et aux « Limites de rejet de polluants dans l'eau » de la province du Guangdong (DB 44/26-2001) (ci-après dénommée « Quasi-Classe). V"). L'usine fonctionnait à pleine capacité. Selon la planification pertinente, une extension était nécessaire. Les futures normes sur les effluents, basées sur l'état actuel, devaient prendre en compte une exigence à long terme de TN inférieure ou égale à 10 mg/L. Compte tenu globalement des conditions réelles du site, le volume de construction civile pour cette extension a été fixé à 70 000 m³/j. L'usine fonctionnerait à 50 000 m³/j à court terme et atteindrait la barre des 70 000 m³/j à long terme, portant la capacité totale de traitement de l'usine à 160 000 m³/j. La qualité de l'eau d'entrée et de sortie conçue est indiquée dansTableau 1.
En raison des contraintes du site, le plan préliminaire d'agrandissement a adopté le processus de « AO à plusieurs -étages + périphérique-périphérique d'entrée-réservoir de sédimentation rectangulaire extérieur +-réservoir de sédimentation à haute efficacité + plaque de fibre-et-filtre à cadre". Les structures civiles de toutes les principales unités ont été construites pour une capacité de 70 000 m³/j, tandis que les équipements ont été installés pour une capacité de 50 000 m³/j. Le réservoir biologique utiliserait un processus AO en plusieurs étapes à court terme. À long terme, l'ajout de transporteurs suspendus créerait un processus hybride de boues activées à biofilm-pour répondre à la demande d'augmentation de capacité de 40 %. Pour cette conception, les conditions hydrauliques ont été prises en compte pour une échelle de 70 000 m³/j, tandis que le traitement biologique a été conçu pour une échelle de 50 000 m³/j. Comme ce projet visait à adopter un processus AO en plusieurs-étapes, une comparaison entre une AO en deux-et trois-étapes a été effectuée.
2 Comparaison des processus AO en deux -étapes et en trois-étapes
2.1 Flux de processus
Le principe de base du processus AO en plusieurs étapes -est d'utiliser le nitrate produit lors de l'étape aérobie précédente pour la dénitrification lors de l'étape anoxique suivante, réduisant ainsi le taux de recyclage interne. Théoriquement, plusieurs étapes conduisent à une meilleure élimination du TN, mais le contrôle devient plus complexe. Dans la pratique de l'ingénierie, l'AO en deux-étages et en trois-étages sont prédominants. Leurs flux de processus sont présentés dansFigure 1. Pour une AO en deux -étapes, le recyclage interne est généralement conçu au cours de la première étape de l'AO. Pour une AO en trois -étapes, le recyclage interne n'est généralement pas utilisé. Les STEP de Pékin utilisant le processus AO en deux étapes comprennent Qinghe (400 000 m³/j), Xiaohongmen (500 000 m³/j), Gao'antun (400 000 m³/j), Dingfuzhuang (200 000 m³/j) et Huaifang (600 000 m³/j). Ce procédé offre des avantages tels qu'un équipement simple, de faibles coûts d'exploitation et de maintenance, une forte résistance aux charges de choc et une compatibilité élevée avec d'autres procédés, facilitant ainsi les mises à niveau futures pour répondre à des normes d'effluents plus élevées. Théoriquement, un AO à trois -étages en série peut éliminer le besoin d'équipement de recyclage interne, permettre une allocation plus rationnelle des sources de carbone et réduire les coûts d'investissement et d'exploitation. Ce processus est principalement appliqué dans des scénarios comportant des sources de carbone suffisantes et des exigences élevées en matière d’élimination de l’azote. Les cas typiques incluent la STEP de Qujing dans le Yunnan (80 000 m³/j), la STEP urbaine du district de Ninghe à Tianjin (90 000 m³/j), la STEP de Zhangguizhuang à Tianjin (200 000 m³/j) et l’usine de récupération de Daoxianghu à Pékin (80 000 m³/j).
2.2 Comparaison des processus
Considérant qu'aucun terrain supplémentaire n'est disponible pour de futures améliorations sur ce site et que certains nouveaux projets locaux mettent déjà en œuvre une norme TN pour les effluents inférieure ou égale à 10 mg/L, la comparaison du processus a considéré un TN pour les effluents du réservoir biologique inférieur ou égal à 10 mg/L pour tenir compte de la possibilité d'exigences plus strictes en matière d'effluents à l'avenir. D'autres indicateurs adhéraient à la qualité des effluents de conception. Sur la base de la configuration, pour une échelle à court terme de 50 000 m³/j, le temps de rétention hydraulique (HRT) maximum pour le réservoir biologique était de 18 heures. En combinant les conditions réelles du projet, les résultats de la simulation BioWin et la commodité du couplage avec des transporteurs suspendus, une comparaison entre les processus AO en deux-et trois-étapes a été réalisée.
2.2.1 Simulation BioWin
Un THS initial de 18 heures a été fixé et progressivement réduit. Le THS minimum atteignant l’exigence de TN de l’effluent était de 14 heures. Pour l'AO à deux -étages, les points de distribution influents étaient la zone anaérobie, la zone anoxique du premier-étage et la zone anoxique du deuxième-étage. Pour l'AO à trois -étages, les points d'influence étaient la zone anaérobie, la zone anoxique du deuxième-étage et la zone anoxique du troisième-étage.
① Étude avec ratio de distribution d'influence fixe
En fixant le taux de distribution des influents à 4:3:3 pour les deux, les simulations ont comparé trois schémas : AO à deux -étages (taux de recyclage de 200 %), AO à trois -étages avec un taux de recyclage total de 200 % (recyclage à 100 % dans le premier étage d'AO + 100 % de recyclage de la troisième zone oxique à la première zone anoxique) et AO à trois -étages avec un taux de recyclage de 100 % (recycler uniquement dans la première étape AO). Les flux de simulation sont présentés dansFigure 2.
Tableau 2montre les résultats de la simulation pour un rapport d'influence fixe à HRT=14 h.
Le tableau 2 montre que pour les AO à deux -et à trois -étages, il est recommandé de mettre en place un recyclage interne dans le premier étage d'AO afin de maximiser la dénitrification dans la première zone anoxique en utilisant la source de carbone présente dans l'affluent brut. Pour l'AO en trois -étapes, la mise en place d'un recyclage interne de la fin de la troisième étape jusqu'à la première zone anoxique a légèrement amélioré l'élimination du TN et du TP, mais l'efficacité de l'élimination de la matière organique a diminué. Il s'agit d'une spéculation attribuée à l'augmentation du débit global dans le réservoir biologique en raison du recyclage, qui transportait l'oxygène dissous dans la zone anoxique, affectant l'environnement anoxique. De plus, le HRT réel dans chaque zone a été raccourci et la transition entre les conditions opérationnelles s'est accélérée, entraînant une efficacité réduite. Pour les caractéristiques d'influent comme celles de ce projet dans le sud de la Chine, où la concentration de TN n'est pas très élevée, l'AO à deux -étages peut répondre pleinement aux exigences en matière d'effluents, ne montrant aucun avantage distinct pour l'AO à trois -étages. Pour les scénarios avec une DCO élevée et une influence TN élevée, l'AO en trois -étapes pourrait être plus adaptée.
② Étude sur l'ajustement des ratios de distribution des influents
L'AO à deux-et à trois-étages a été définie avec un taux de recyclage interne de 100 % dans le premier étage d'AO. Des études ont été menées sur les ratios de distribution d'influents multi-points (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4). Ici, 1:0:0 signifie que tous les influents entrent tout en avant ; 3:7:0 pour les trois -étages AO signifie que l'influent est distribué uniquement vers la zone anaérobie et le deuxième étage AO. Les résultats de simulation pour les ratios de distribution ajustés sont présentés dansTableau 3.
Le tableau 3 montre que le taux de distribution a un léger impact sur la qualité des effluents. La tendance générale est qu'à mesure que la proportion d'influent distribué aux étapes ultérieures augmente, les concentrations de TN, NH₃-N et TP des effluents augmentent, et la demande d'aération augmente également progressivement. Lorsque le rapport d'influent était de 3 : 7 : 0, l'AO à trois -étages a montré une élimination du TN légèrement meilleure et un rapport air-à-eau légèrement inférieur à celui de l'AO à deux -étages. Cependant, en fonctionnement réel, cette différence est généralement négligeable. De plus, l'augmentation de la proportion d'influents vers les étapes ultérieures, bien que bénéfique pour l'utilisation de la source de carbone dans la dénitrification, augmente inévitablement la charge sur les réactions biochimiques en raison de l'apport de NH₃-N, de matière organique et de TP. Par conséquent, il est recommandé de conserver la configuration d'affluent multi-point et de procéder à des ajustements progressifs en fonction de la qualité réelle de l'eau pendant le fonctionnement. Il convient de noter que bien que l'AO en trois étapes - ait montré une meilleure élimination du TN que l'AO en deux étapes - avec un rapport d'influent de 2: 4: 4, à mesure que l'influent vers les étapes ultérieures augmentait, l'effluent NH₃ - N a montré une tendance à la hausse, auquel cas NH₃ - N ne pouvait plus répondre à la norme d'effluent.
③ Performance du traitement de l'AO en deux -et en trois-étapes
Une configuration AO à trois -étages a été simulée avec HRT=14 h, des rapports de volume égaux pour chaque étage (1 : 1 : 1), un recyclage interne de 100 % défini dans le premier étage AO et un rapport d'influent de 4 : 3 : 3, dans deux conditions : avec recyclage à 100 % et avec recyclage fermé. Une configuration AO à deux -étages a été simulée avec HRT=14 h, un ensemble de recyclage interne à 100 % et un rapport d'influent de 4 : 3 : 3. Les résultats ont montré que l'AO en deux étapes-atteignait le TN optimal de l'effluent à 6,29 mg/L ; l'AO en trois étapes avec 100 % de recyclage interne à l'avant a atteint le deuxième meilleur niveau à 7,51 mg/L ; l'AO en trois étapes sans recyclage interne a obtenu de moins bons résultats à 8,52 mg/L. Les trois scénarios pourraient répondre à l’exigence de vérification des effluents (TN inférieur ou égal à 10 mg/L).
Tableau 4montre la comparaison des paramètres de conception entre une AO à deux-étages et à trois-étages. On constate que pour les deux procédés, le THS nécessaire pour atteindre l'exigence de TN de l'effluent est inférieur à 18 heures. Les principales différences entre les deux processus sont les suivantes :
un. Théoriquement, l'AO à trois -étages a une limite supérieure plus élevée ; autrement dit, s'ils sont exploités correctement, les coûts d'investissement et d'exploitation peuvent être inférieurs. L'AO à deux -étages comporte moins d'éléments d'équipement et d'étages, ce qui entraîne des coûts d'équipement inférieurs et des difficultés de gestion opérationnelle moindres.
b. Pour ce projet spécifique, puisque le long terme a été pris en compte et que le volume du réservoir a été conçu pour un HRT de 18-heures, l'investissement civil serait identique que l'on adopte l'AO à deux-ou à trois-étages. Le coût de l'équipement pour l'AO à trois -étages est plus élevé. Par conséquent, du point de vue de l’investissement, l’adoption de l’AO en deux étapes est plus économique.
c. Concernant les frais de fonctionnement, l'AO en trois étapes- pourrait permettre d'économiser environ 0,002 CNY/m³ en éliminant le coût énergétique du recyclage à 100 % de la liqueur mélangée. Compte tenu de la diminution potentielle de l'efficacité d'utilisation des sources de carbone en fonctionnement réel en raison de l'alternance de conditions anoxiques/oxiques dans l'AO à trois -étages, la différence réelle dans les coûts d'exploitation serait probablement encore plus petite.
2.2.2 Analyse du scénario de transporteur suspendu à long-terme
En raison des exigences uniques de ce projet, le réservoir biologique devait prendre en compte la faisabilité et la commodité du plan d'expansion de capacité à long terme -, c'est-à-dire l'impact de l'ajout de transporteurs suspendus.
Le cœur du procédé MBBR consiste à augmenter la biomasse dans le réacteur en ajoutant des porteurs en suspension. Ceux-ci peuvent être ajoutés aux réservoirs aérobies, anoxiques ou anaérobies. Cependant, compte tenu de la fluidisation des porteurs, leur ajout à des réservoirs anaérobies ou anoxiques augmenterait considérablement les besoins en puissance de mélange. Par conséquent, l’ajout à des réservoirs aérobies est préférablement recommandé. Le volume des zones anaérobies/anoxiques peut être complété par une séparation de la zone aérobie, tandis que le manque de volume aérobie est compensé par les transporteurs ajoutés. En d’autres termes, le volume aérobie insuffisant est supporté par l’augmentation de la surface des porteurs suspendus, qui est calculée sur la base de la conversion de la charge polluante pour déterminer la quantité de porteurs requise, en contrôlant un certain taux de remplissage pour obtenir le volume ajouté.
D'après les calculs, si l'on adoptait le processus AO en deux étapes et que l'on ajoutait à long terme tous les porteurs suspendus à la zone aérobie du premier étape, la surface de porteur MBBR requise serait de 2 597 708 m², ce qui coûterait 12,99 millions de CNY. Les autres coûts d'équipement fixes connexes (y compris les systèmes de fluidisation MBBR, les mélangeurs dédiés, les systèmes de criblage et les systèmes de contrôle intelligents) s'élèveraient à 6,15 millions de CNY. Si vous adoptez le processus AO en trois -étapes, en raison de zones plus dispersées, la zone MBBR devrait être divisée en 2 sections (zones aérobies de première-étape et de deuxième-étape). Par conséquent, le coût d'installation de l'équipement fixe MBBR correspondant (à l'exclusion des transporteurs eux-mêmes) augmenterait légèrement pour atteindre 7,77 millions de CNY, tandis que le coût du transporteur reste le même. Cela signifie que l'adoption de l'AO en trois étapes-augmenterait les futurs investissements de rénovation de 1,62 million de CNY et augmenterait également la complexité de la rénovation. De plus, le système de contrôle est le domaine le plus sujet aux problèmes après l’ajout d’un transporteur. L'AO en trois -étapes ajoute une section supplémentaire d'écrans, augmentant ainsi la difficulté opérationnelle.
D'après la comparaison ci-dessus, en raison du partitionnement excessif dans l'AO à trois -étages, chaque partition ayant un volume similaire, sa difficulté de mise à niveau est supérieure à celle de l'AO à deux-étages. La construction, la complexité opérationnelle et l'ajout d'équipements de contrôle entraînent également un investissement plus élevé que l'AO à deux -étages. Par conséquent, l'adoption de l'AO en deux -étapes est plus propice au couplage futur avec des transporteurs suspendus.
2.3 Résultat de la comparaison
Sur la base de l'analyse ci-dessus, les processus AO en deux-et trois-étapes peuvent atteindre l'objectif de TN des effluents inférieur ou égal à 10 mg/L. Dans les conditions limites de ce projet-espace limité, la nécessité de maximiser le volume du réservoir à court terme-et le plan à long terme-d'ajouter des transporteurs suspendus-l'AO à deux-étages présente des avantages en termes d'investissement à court terme-et de commodité de gestion/maintenance des équipements. Il offre également une plus grande compatibilité pour une modernisation future avec des transporteurs suspendus, ce qui se traduit par un investissement global inférieur et une réduction des difficultés de modernisation et de fonctionnement. Par conséquent, après un examen approfondi, le processus AO en deux -étapes a été recommandé pour cette conception.
3 Performances opérationnelles
L'investissement total estimé pour ce projet est de 304,5721 millions CNY, avec des coûts de construction de 243,6019 millions CNY, ce qui se traduit par un coût de construction unitaire de 3 480,03 CNY/m³. Le coût de traitement est de 1,95 CNY/m³ et le coût d'exploitation est de 1,20 CNY/m³.
Pour ce projet, le réservoir biologique a un HRT total de 18 heures (comprenant : zone anaérobie 2 h, zone anoxique du premier-étage 3,5 h, zone aérobie du premier-étage 7,5 h, zone de dégazage 0,5 h, zone anoxique du deuxième-étage 2,5 h, zone aérobie du deuxième-étage 2 h), avec une profondeur d'eau effective de 8,6 m. Une prise d'eau sectionnelle réglable est mise en œuvre, permettant des ajustements du taux de distribution des influents par incréments de 20 % selon les besoins. En fonctionnement réel, la concentration de matières en suspension dans la liqueur mélangée (MLSS) dans le réservoir biologique varie de 3 500 à 4 000 mg/L, le taux de retour des boues varie de 40 % à 100 % et le taux de recyclage interne de la liqueur mélangée varie de 100 % à 200 %. La qualité réelle des influents et des effluents est indiquée dansTableau 5, ce qui correspond fondamentalement aux résultats de la simulation.
4 Conclusion
En utilisant une STEP dans le sud de la Chine comme étude de cas, une comparaison technique et économique entre les processus AO en deux-et trois-étapes a été réalisée à l'aide de la simulation BioWin. L'AO à deux -étages, avec moins d'équipements et d'étages, des coûts d'équipement inférieurs et une difficulté de gestion opérationnelle moindre, est plus adapté aux conditions du sud de la Chine où l'influent TN n'est pas très élevé. Pour l'AO à trois -étapes, la mise en place d'un recyclage interne de la fin de la troisième étape à la première zone anoxique a affecté négativement l'efficacité de l'élimination du TN, augmenté les difficultés de gestion opérationnelle et augmenté les coûts d'investissement. La conception répond simultanément aux exigences de traitement à court-terme de 50 000 m³/j et de TN inférieur ou égal à 10 mg/L, tandis que l'échelle à long-terme de 70 000 m³/j peut être atteinte en couplant avec des transporteurs suspendus. Les résultats opérationnels réels sont largement cohérents avec les résultats de simulation BioWin, avec un TN moyen des effluents de 6,86 mg/L, répondant aux exigences de conception.