CAT ASIO FRANCE
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
DES STATIONS VARIOKOMP
DES STATIONS VARIOKOMP
1. Description sommaire du fonctionnement :
Les effluents bruts arrivent dans le poste de relevage doté de 2 pompes (1+1) fonctionnant alternativement et doté de contacteurs à flotteurs (3 niveaux : sécurité marche à sec - mise en service - niveau max. de défaut et alarme) Le poste de relevage est doté d'un panier dégrilleur grossier (barreaux d'entrefer 20 mm). Les eaux usées sont pompées vers le dégrilleur rotatif fin (grille de maille 1mm), automatique et autonettoyant. Le dégrilleur est asservi au poste de relevage et se met en mouvement lors du démarrage d'une pompe pour ne s'arrêter que 30 secondes après l'arrêt de la pompe lorsque le niveau des effluents est au point bas (sécurité contre marche à sec). Les refus de dégrillage de dimensions supérieures à 2 mm sont captés et déversés dans un container de récupération avant envoi en décharge. Les effluents dégrillés s'écoulent ensuite par gravité dans le bassin de dénitrification équipé d'un brasseur lent qui maintient en mouvement la masse d'eau sans apport d'oxygène. Les effluents sont ensuite acheminés vers la bassin d'activation (nitrification) où se développent la boue activée (biomasse aérobie). L'eau épurée entre ensuite dans le clarificateur où s'opère la séparation entre l'eau épurée surnageante et les boues résiduelles qui sédimentent en fond de bassin avant d'être renvoyées par pompage air-lift en tête de station. Une fois par jour la boue activée excédentaire est pompée vers le bac de stockage.
2. Fonctionnement et maintenance de la StEp :
Les processus se déroulent dans les deux zones du potentiel rédox : oxyque et anoxyque. La zone oxyque est caractérisée par la valeur du redox-potentiel +50 mV et plus, la zone anoxique -50 jusqu'à 50 mV. Dans ces zones sera résorbée la pollution organique et l'excès de nutriments. Les systèmes de réduction biologique de nutriments sont caractérisés par le changement systématique des conditions oxyques et anoxyques.
Les procédés oxyques sont caractérisés par le fait que la pollution est enlevée de l'eau par les microorganismes de la boue activée en présence d'oxygène dissous. L'oxygène est ici le dernier récepteur des électrons. Dans le milieu oxyque se déroule l'assimilation organophile, nitrification, oxydation des formes réduites de soufre et accumulation de polysulphates. Dans le milieu anoxyque après la réduction de la pollution, nitrate et nitrite en nitrogène gazeux.
Les matières organiques dissoutes forment la pollution de l'eau résiduaire, composée de matières à basse molécularité partiellement oxydées par la voie biochimique et partiellement changées en composés spécifiques, nécessaires pour la synthèse de matières de réserve et d'albuminoïdes spécifiques. Les matières en suspension en forme fine et matières colloïdales sont résorbées par les procédés physiques et physico-chimiques. En principe, il s'agit de coagulation et sorption de ces matières sur les regroupements de microorganismes (floc), qui créent la boue activée. Les matières captées de cette manière seront ensuite, soit digérées enzymatiquement soit, parcequ'elles sont inertes, elles formeront une part du flocon. La teneur en matières organiques dans l'eau résiduaire sera définie, par les déterminations en groupe, comme la somme de toutes les matières organiques, à l'aide de l'oxygène dispensé et l'oxydation.
La consommation chimique d'oxygène DCO est la méthode basée sur l'action chimique des matières organiques présentes, par l'oxydation de matières organiques par le dichromate de potasse dans un milieu d'acide sulfurique. Consommation biochimique d'oxygène DBO5 est une méthode basée sur l'oxydation biochimique, par la quantité d'oxygène consommée par les microorganismes pour l'oxydation de matière organique sous des conditions précises définies. Détermination du carbone organique et ensuite détermination du volume de toutes les matières organiques.
Nitrification est le procédé d'oxyidation du nitrogène amoniacal par les nitrites jusqu'aux nitrates. Il s'agit d'un processus à deux degrés. Dans le premier degré le nitrogène amoniacal sera oxydé en nitrites - nitritation - à l'aide de bactéries Nitrosomonas et Nitrosococus. Dans le deuxième degré les nitrites sont oxidées en nitrate à l'aide de bactéries Nitrobacter (nitratation). Les bactéries nitrificantes sont des microorganismes qui se developpent lentement. Leur vitesse de developpement est plus lente que la vitesse des microorganismes hétérotrophes présents dans les boues activées. Dans cet but, l'âge de la boue est un facteur trés important qui influence la nitrification. Les autres facteurs importants qui influencent la vitesse de la nitrification sont : Dénitrification est la réduction de nitrates et nitrites en nitrogène gazeux ou oxyde d'azote. Les microorganisme peuvent utiliser les formes de nitrogène oxydé par la voie d'assimilation, c'est à dire pour acquisition de l'énergie pour la synthèse de la masse cellulaire, ou par la voie de désassimilation - les formes oxydées de nitrogène sont presque identiques à celle de la nitrification.
La réduction du phosphore par la voie biologique est basé sur le fait que quelques organismes de la boue activée peuvent sous des conditions déterminées accumuler le phosphore sous forme de polyphosphate. Les polyphosphates accumulés sont éliminés avec la boue excédentaire qui est ensuite traitée.
Les polyphosphates accumulés dans la cellule ont les fonctions suivantes : Il est à supposer que dans un système bien conçu avec réduction biologique du phosphore, la boue excédentaire contiendra 5 à 8 % de phosphore. Une condition indispensable de ce système est un stockage de la boue qui fonctionne bien pour que les phosphates accumulés dans la boue excédente, en conditions anaérobie dans le réservoir d'emmagasinage, ne se mélangent de nouveau à l'eau de la boue, et diminuent ainsi l'efficacité de tout le système. Dans le système courante appliqué en station d'épuration biologique, quand le phosphore est une partie normale de la construction du corps d'une cellule, la quantité du phosphore enlevée est proportionnel à la quantité de boue excédentaire. On peut estimer que dans le résidu sec de la boue activée le volume de phosphore sera de 2 %.
Dans la station d'épuration des eaux résiduaires (StEp) l'efficacité globale d'épuration sera dépendante de l'efficacité de l'étape biologique. Les principes de base suivant sont en vigueur.
Le facteur principal d'épuration est la boue activée. La quantité exacte dans le système et sa composition saine sont essentielles pour le bon fonctionnement du degré biologique. La composition et variété de genres de boue dépend de plusieurs facteurs et seul un spécialiste peut en faire l'évaluation exacte. On peut attendre, sous condition de marche normale avec contrôle du processus, le développement de la boue avec tous ses microorganismes courants possédant les bonnes propriétés technologiques pour la réduction de la pollution organique et la formation de flocons avec bonne sédimentation.
Il est nécessaire que la composition de la boue soit suivie par un spécialiste. Le paramétre technologique de base du degré biologique de la StEp est la charge de la boue Bx (kg DBO5/kg.j.) qui représente la charge de la masse apportée par jour pour 1 kg de boue activée présente dans le bac d'activation. Vu que l'épuration des eaux résiduaires est un procédé biologique réalisé par les microorganismes présents, il est logique, que les dits microorganismes aient des limites de rendement qui sont données par le besoin minimal d'apport de substrat pour assurer le procédé de reproduction nécessaire, d'une part, et d'autre part, le rendement maximal de la dégradation de la pollution. Pour la technologie donnée d'épuration il faut maintenir la charge de boue (Bx) au niveau entre 0,03 - 0,06 kg DBO5 /
kg.j. Vu que la charge de matière apportée pendant l'exploitation de la StEp variera, il est nécessaire de suivre soigneusement la charge et parallèlement réagir en fonction de la valeur de la concentration de la boue activée dans les bacs d'activation. Pour une charge réduite, la quantité de boue dans le système peut être aussi diminuée, selon la formule pour la charge de boue:
- la concentration d'oxygène dissous,
- la température de l'eau résiduaire,
- valeur de pH,
- composition de l'eau résiduaire,
- l'âge et charge de la boue.
- la réserve métabolique pour la période de demande phosphatique,
- régulation de la balance de phosphore dans la cellule,
- source d'énergie comme compensation d'ATP.
LDBO5 : Charge de matière amenée (kg DBO5/j.),
VBA : Volume de bac d'activation ( ml),
X : Concentration de résidu sec de la boue activée dans le bac d'activation (kg/ml)
Les valeurs de service de la concentration de résidu sec de la boue activée peuvent être théoriquement dans l'intervalle 2-5 kg/m³. Dans ce projet technologique de StEp la valeur typique supposée pour le type du procédé d'activation est de 4 kg/m³. Mais, les écarts dans le cadre d'intervalle sont admis. Un principe en vigueur est qu'il n'est pas raisonnable de maintenir dans le système une quantité de boue très élevée, car les paramètres économiques de la StEp seront aggravés (p.e.la recirculation de la boue inutile et l'apport d'oxygène inutile pour la respiration de la boue en quantité techniquement excédente). A l'inverse, une quantité insuffisante de boue dans le système ne permet pas l'effet d'épuration demandé. Un autre principe est en vigueur : l'activité biologique de la boue augmente avec la température de l'eau résiduaire. Il faut traiter individuellement chaque cas de StEp. Généralement on peut dire, que pour maîtriser la même charge de matière en été, une plus petite quantité de boue dans le système sera nécessaire. On peut maintenir une trés haute efficacité d'épuration aussi quand la charge de matière est plus elevée, et les frais de fonctionnement diminués. L'influence de la température sur l'efficacité d'épuration varie largement avec les variables X et Tx. Avec l'augmentation de ces valeurs, l'influence de la température se réduit. L'efficacité d'épuration sera fortement abaissée avec des températures inférieures à 10ºC.
Le deuxième paramètre technologique de base dans le degré biologique est l'âge de la boue Tx. Pour la technologie d'épuration donnée, l'âge de la boue devrait être tenu au minimum de 25 jours. L'âge de la boue dépend de quantité de la boue dans système et de la qualité de la boue excédente, extraite du système selon la formule :
VBA : volume du bac d'activation (ml),
X : Concentration de résidu sec de la boue activée dans les activateurs (kg/ml),
PB : Production de la boue.
Il est à noter que par l'extraction de boue du système, l'âge de la boue peut être influencé. Dans chaque StEp on peut retrouver l'âge optimal du point de vue de l'efficacité d'épuration, et de la rationalité du fonctionnement. Aussi dans ce cas il est toujours valable que, quand la température monte, pour la même efficacité d'épuration sera suffisante une plus petite quantité de boue dans le système. C'est l'âge de la boue qui sera diminué. Des remarques précédentes on peut conclure que la charge de matière de boue et son âge, sont dépendant, des valeurs des activateurs constatés et tout d'abord de la concentration de la boue dans l'activation (X).
La durée de retard peut se définir comme la relation du volume de réservoir V avec l'arriv&ecute;e Q. Elle s'exprime en heures.
Q : L'afflux de l'eau résiduaire (ml/h),
V : Le volume du réservoir d'activation (ml).
La quantité de masse de matières organiques, ramenée dans 1 m³ de réservoir pour 1 jour (kg/ml.j) :
C : concentration de matières organiques en poids volumique, exprimée en unités DBO5, DCO (kg/ml),
Q : apports d'eau polluée (ml/h.).
L'indicateur fondamental du fonctionnement, qui peut caractériser la qualité de boue, est l'index de boue (IB). Cet index de boue caractérise l'aptitude de la boue à sédimenter et concentrer. L'exploitant de la StEp doit s'assurer des bonnes propriétés de sédimentation de la boue activée. Elles peuvent être influencées par les dosages de microorganismes qui forment les flocons et fibres. En cas de faible présence de microorganismes fibreux dans le boue activée, ce fait ne représente pas un problème. Au contraire, ces microorganismes se présentent comme réseau contre les particules en suspension. L'écoulement final sera de meilleure qualité. Quand les microorganismes fibreux seront surmultipliés, les propriètés de séparation de la boue seront plus mauvaises.
| La boue normale | IB < 100 ml/g | us > 0,6 m/h |
| La boue legère | IB = 100 - 200 ml/g | us = 0,3 - 0,6 m/h |
| La boue hypertrophique | IB > 200 ml/g | us < 0,3 m/h |
L'index de boue augmentant indique les propriétés de boue plus mauvaises. Il faut évaluer l'index de boue regulièrement, parce que c'est un des indicateurs important pour régler les fonctions du degré biologique, commandé par programme.
Le service de StEp préléve dans le réservoir d'activation un échantillon du mélange activé. La prise du mélange est effectuée avec un pot de prise, fixé à une manche assez long, pour pouvoir prendre l'échantillon de boue à la profondeur environ de 0,5 m sous la surface. On verse un litre de mélange activé dans le cône Imhoff. Après 30 min. de sédimentation on lit sur une échelle le volume de résidu sec. Le quotient du volume de la boue après 30 min de sédimentation et du résidu sec de la boue est l'index de la boue. Dans le cas où le service de StEp n'a pas la possibilité de déterminer la concentration de boue activée, la détermination simple du volume de boue après 30 min permet néanmoins de connaitre la capacité de sédimentation. Le service de StEp, à la base d'observations quotidiennes et détermination regulière de la concentration de boue dans le laboratoire, peut se faire un jugement pour la quantité de boue en activation.
V30 : volume de boue après 30 min. de sédimentation (ml/l),
X (NL) : Concentration de résidu sec de boue (g/l).
L'influence de la température :
L'activité biologique dans la boue augmente avec la température de l'eau résiduaire. Cette relation doit être définie dans chaque StEp. En général, on peut dire que pour maîtriser la même charge de matière en été, une quantité moindre de boue dans le système sera suffisante. Une haute efficacité d'épuration peut être obtenue avec une charge de matière plus élevée, c'est à dire avec des frais d'exploitation plus bas. L'influence de la température sur l'efficacité d'épuration change en fonction des variables X et T. Quand leurs valeurs croissent, l'influence de la température est moins marquante. L'efficacité d'épuration sera diminuée pour les températures < à 10ºC.
L'influence de la concentration en oxygène dissous :
L'oxygène dissous pénètre dans un flocon de boue activée par diffusion. Vu que l'oxygène doit vaincre la résistance de diffusion, il pénètre plus profond dans le flocon quand plus haute est la concentration d'oxygène dissous dans le liquide environnant. Une concentration de 2 mg/l est établie comme fiable pour le projet et l'exploitation, qui ne limite pas les vitesses de consommation d'oxygène par les microorganismes litotrophes et organotrophes. Si la nitrification et dénitrification doivent s'effectuer en même temps dans un réservoir, il faut maintenir la concentration d'oxygène de service au niveau de 0,5 mg/l. Avec cette concentration, une part du flocon est en conditions anoxiques, les nitrates parviennent par diffusion dans le flocon, où ils seront réduits par le manque d'oxygène.
L'influence du pH :
Le pH optimal pour la majorité de bactéries se trouve dans le limite 6,0 - 7,5. La boue activée peut être adaptée dans les limites pH de 6,0 jusqu'à 9,0.
L'influence des nutriments :
L'efficacité d'épuration peut être influencée aussi par le non-équilibrage nutrique de l'eau entrante. Il s'agit principalement de manque des éléments macrobiogènes - phosphore et nitrogène. Quand la StEp reçoit les eaux résiduaires de l'habitat, un tel effet ne doit pas survenir . La quantité nécessaire de nitrogène et phosphore peut s'estimer de cette relation :
Dans les systèmes à faible charge, le besoin des éléments biogènes sera encore diminué. Le besoin en calcium et magnésium sera estimé selon la rélation suivante :
L'influence des matières non-dissoutes :
La majorité de matières non dissoutes sera éliminée dans l'activation par la voie de la coagulation et par adsorption par les flocons de boue activée. La majorité de matières non-dissoutes est formée de flocons fins de boue activée produits lors du procédé d'épuration. La valeur totale de la DBO5 découlant est donnée par l'addition de la valeur du filtrat et de la valeur présentée par les matières non-dissoutes. Cette valeur est influencée avant tout par l'âge de la boue, c'est à dire par le degré de stabilisation et minéralisation de la boue. Il peut obtenir les valeurs de 0,16 jusqu'à 0,6 mg/g. La qualité d'eau sortant de la StEp est influencée trés fortement par le volume de flocons fins de la boue activée repris du bac de décantation.
Nota : Les éléments techniques ci-dessus sont donnés à titre informatif. Ils font partie des données qui seront fournies au personnel affecté à la maintenance de la station lors de la phase de formation qui a lieu durant la réalisation de la station et jusqu'à la phase des essais et la mise en service.