Procédé et installation de traitement d'effluents concentrés en azote dans un réacteur biologique séquentiel à cycles fractionnés.

L'invention concerne un procédé de traitement d'effluents concentrés en azote, mettant en œuvre une oxydation d'ammonium en nitrites suivie d'une dénitritation des nitrites en azote gazeux dans un réacteur biologique séquentiel dont les phases de réaction sont fractionnées, procédé selon lequel un volume d'affluent à traiter est versé dans le réacteur contenant des bactéries nitrifiantes, les conditions de fonctionnement étant prévues pour privilégier l'action des bactéries nitritantes et inhiber au maximum l'action des bactéries nitratantes , comprenant des cycles de traitement avec au moins une phase d'aération pour provoquer la nitrification, suivie d'une phase où l'aération est arrêtée et une source de carbone est introduite dans le réacteur pour la transformation des nitrites en azote.

L'invention concerne plus particulièrement le traitement d'effluents dont la concentration en azote est supérieure à 100 mg N/l.

Traitement de l'azote d'effluents concentrés

Beaucoup d'installations de traitement de polluants sont confrontées à des difficultés croissantes en ce qui concerne la maîtrise et le traitement de leurs rejets azotés, principalement ammoniacaux, dans les milieux récepteurs. L'ammoniac est susceptible de provoquer des atteintes environnementales telles que l'appauvrissement en oxygène des milieux aquatiques, une toxicité vis à vis des poissons ou des phénomènes d'eutrophisation. Pour limiter ces impacts, les réglementations imposent des limites de rejet de plus en plus contraignantes qui conduisent souvent à des réhabilitations coûteuses des stations de traitement existantes.

Une des principales voies de traitement de l'azote est le procédé biologique de nitrification / dénitrification, par lequel l'ammonium est oxydé en deux étapes en conditions aérées, d'abord en nitrites puis en nitrates, et est finalement réduit en azote gazeux en conditions anoxies. Dans le cas d'effluents concentrés, il est possible grâce au contrôle de divers paramètres de court-circuiter ce processus biologique en effectuant une nitrification partielle en nitrites, qui sont

ensuite directement dénitrifiés. Ce procédé, appelé également « shunt des nitrates » et déjà décrit dans EP-A-826639 et WO 00/05176, est théoriquement capable de réduire de 25% les apports d'oxygène pour la nitrification et de 40% les apports de carbone biodégradable pour la dénitrification, ainsi que la production de boues hétérotrophes associée.

Les stations d'épuration d'eaux usées munies de digesteurs anaérobies produisent des flux concentrés en ammonium (de l'ordre de 1000 mg N/l) dans la ligne de traitement des boues qui, lorsqu'ils sont retournés en tête de l'installation, peuvent représenter jusqu'à 20% de la charge azotée totale. Leur traitement spécifique permettrait donc dans bien des cas d'éviter des réhabilitations coûteuses de la ligne principale de traitement pour respecter les limites de rejet. Par ailleurs, un nombre croissant de sites est contraint de traiter les odeurs ou les effluents gazeux produits, générant des condensats très chargés en formes ammoniacales qu'il devient impératif de minimiser. Finalement, les lixiviats des décharges constituent un troisième type d'effluents pour lesquels l'ion ammonium représente une des principales sources de pollution.

Tous ces effluents contiennent généralement peu de carbone biodégradable, ce qui implique que les dispositifs de traitement biologique peuvent être dimensionnés quasi exclusivement vis à vis du traitement de l'azote. Un traitement biologique du type « shunt des nitrates » permettrait donc des réductions de coût significatives par rapport à une nitrification / dénitrification classique.

Shunt des nitrates en configuration RBS (Réacteur Biologique Séquentiel)

Fux, C ₁ Lange K., Faessler, A., Huber, P., Grueniger, B. and Siegrist, H. (2003). dans un article intitulé "Nitrogen removal from digester supematant via nitrite-SBR or SHARON?" paru dans la revue Water Science and Technology, Vol. 48 n°8, pp.9-18 (2003) ont montré l'intérêt des réacteurs biologiques séquentiels (RBS), comprenant des phases d'alimentation, de réaction (aération + anoxie), de sédimentation et de soutirage, pour la mise en oeuvre du shunt des nitrates sur des effluents concentrés en azote. En effet, cette configuration RBS permet d'appliquer des charges volumiques importantes par rétention de biomasse dans un même réacteur, à la différence du procédé SHARON (brevet EP-A-826639) pour lequel l'absence de rétention de

biomasse permet le lessivage spécifique de la biomasse responsable de l'oxydation des nitrites en nitrates. Selon le procédé RBS de Fux & al. un volume d'affluent à traiter dans un cycle complet est versé dans le réacteur par fractions volumiques successives, le cycle complet de traitement étant divisé en sous-cycles successifs, chaque sous-cycle comprenant une phase d'alimentation par une fraction volumique, puis une phase d'aération pour provoquer la nitrification, puis une phase d'anoxie pendant laquelle l'aération est arrêtée et une source carbonée est introduite dans le réacteur pour la transformation des nitrites en azote.

Pour des rejets tels que les surnageants de digesteurs anaérobies, les condensats de traitement de gaz et les lixiviats de décharge, il est particulièrement difficile d'optimiser les réactions de production et de réduction des nitrites, pour deux raisons principales :

• Ces rejets sont soumis à des variations de débit et de concentration en ammonium très importantes, qui obligent à adapter en permanence les critères d'exploitation pour fournir un effluent de qualité constante.

• Les milieux fortement chargés en sels et composés ioniques divers, tels que ceux visés par l'invention, sont susceptibles d'avoir un effet négatif sur la sensibilité des sondes (contamination des sondes redox par les sulfures notamment) et de provoquer des dérives qui occasionnent un passage rapide en mode temporisé dégradé.

Le développement d'un système de gestion robuste est donc souhaitable pour fiabiliser le traitement de l'azote d'effluents concentrés par shunt des nitrates en réacteur RBS.

La présente invention propose d'éliminer l'azote d'effluents concentrés par un procédé de nitritation /dénitritation dans un réacteur biologique séquentiel (RBS) dont la séquence comprend plusieurs phases alimentation / aération / anoxie fractionnées, le nombre et la durée de ces phases ainsi que l'ajout de réactif carboné étant ajustés grâce à une série de mesures en temps réel dans l'effluent à traiter, dans le rejet et dans le réacteur biologique.

Selon l'invention, le procédé de traitement d'effluents concentrés en azote, du genre défini initialement, et selon lequel un volume d'affluent à traiter dans un cycle complet est versé dans le réacteur par fractions volumiques successives, le cycle complet de traitement étant divisé en sous-cycles successifs, chaque

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sous-cycle comprenant une phase d'alimentation par une fraction volumique, puis une phase d'aération pour provoquer la nitrification, puis une phase d'anoxie pendant laquelle l'aération est arrêtée et une source carbonée est introduite dans le réacteur pour la transformation des nitrites en azote, est caractérisé en ce que l'on effectue une série de mesures en temps réel dans l'effluent à traiter, dans le rejet et dans le réacteur biologique, l'on évalue la charge volumique azotée à traiter dans l'affluent, et que l'on détermine le nombre de phases d'alimentation d'un cycle complet en fonction de cette charge azotée et du volume minimal de liquide dans le réacteur, selon la formule suivante :

_{XT T} NH4J

Nalim _min = ^•

([NH ₄ ⁺ ] _inhib - [NH ₄ ⁺ ] _eff ) * V _min * N RBS

Où,

Nalim _mi n : nombre minimal de cycles d'alimentation

FNH4,J : charge azotée journalière

[NH ₄ ⁺ ] _ef f : concentration en ammonium dans l'effluent sortant du réacteur

Vmjn : volume liquide minimal (après extraction et avant alimentation)

NRBS - ' nombre de cycles complets RBS par jour

[NH ₄ ⁺ ]inhib : concentration en ammonium inhibitrice de la biomasse nitritante ,

de sorte que la concentration en azote de la fraction volumique injectée est diluée dans le volume de liquide demeurant dans le réacteur, ce qui permet d'éviter l'inhibition des bactéries nitritantes, la charge azotée de la fraction volumique étant cependant suffisante pour assurer dans le réacteur un « à coup » ou pic de charge ammoniacale au déversement de chaque fraction, favorable au développement de la biomasse productrice de nitrites.

De préférence, on évalue la charge volumique azotée à traiter dans l'affluent par mesure de la conductivité (X) et du débit (Q) de l'affluent.

De préférence on mesure et contrôle la concentration en oxygène dissous dans le réacteur pour la maintenir à de faibles valeurs en limitant la durée des phases aérées et en adaptant l'apport d'oxygène à la charge à traiter.

On peut déterminer un nombre minimal Nbiol _m j _n de sous-cycles aérobie / anoxie de manière à ne pas dépasser une durée totale de réaction biologique donnée, choisie afin de limiter les oscillations de concentration en oxygène dissous entre 0 et 2mg 02/1.

Le pH dans le réacteur est mesuré et on assure une auto-régulation du pH par alternance de phases rapprochées de nitritation et de dénitritation en limitant les oscillations de pH entre 6.5 et 8.5, de préférence entre 7 et 8.

Des cycles biologiques type « aérobie / anoxie », avec des durées des phases aérées et anoxies fixées sont prédéfinis, et Ia durée totale tC de ces phases de réaction est calculée en fonction du nombre de cycles NC : tC = (tRBS - talim — tsedim - t _e χtract)/NC Où, t _RB s : durée du cycle RBS global taiim : durée globale de l'alimentation (non fractionnée) t _sed im '- durée de la phase de sédimentation textract : durée de la phase d'extraction

Le cycle biologique « aérobie / anoxie » effectivement appliqué est celui dont la durée d'aération correspond le mieux à la durée d'aération théorique calculée à partir de la charge entrante, de la configuration du système d'aération du réacteur et de la cinétique de réaction. La durée des phases non aérées est limitée de manière à limiter les risques d'anaérobiose.

Le temps d'injection de la source carbonée pendant la phase non aérée est déterminé à partir des mesures de la charge azotée entrante. De préférence, le rendement d'élimination d'azote est calculé et comparé à un rendement minimal, et que l'injection de source carbonée pendant la phase non aérée est optimisée selon les résultats de la comparaison, en adaptant l'apport de réactif à la charge à traiter.

Le procédé est avantageusement appliqué au traitement de surnageants de digesteurs anaérobies, ou au traitement de condensats de traitement de gaz, ou au traitement de lixiviats de décharge.

L'invention est également relative à une installation de traitement d'effluents concentrés en azote, en particulier contenant plus de 100mg N/l, mettant en oeuvre une oxydation d'ammonium en nitrites suivie d'une dénitritation des nitrites en azote gazeux dans un réacteur biologique séquentiel dont les phases de réaction sont fractionnées, ce réacteur contenant des bactéries nitrifiantes , les conditions de fonctionnement étant prévues pour privilégier l'action des

bactéries nitritantes et inhiber au maximum l'action des bactéries nitratantes , un volume d'affluent à traiter dans un cycle complet étant versé dans le réacteur par fractions volumiques successives, le cycle complet de traitement étant divisé en sous-cycles successifs, chaque sous-cycle comprenant une phase d'alimentation par une fraction volumique, puis une phase d'aération pour provoquer la nitritation, puis une phase d'anoxie pendant laquelle l'aération est arrêtée et une source carbonée est introduite dans le réacteur pour la transformation des nitrites en azote, installation caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour évaluer la charge volumique azotée à traiter dans l'affluent, notamment par une sonde de mesure de la conductivité (X) et par un débitmètre pour mesure du débit (Q) de l'affluent, et un moyen de calcul et de commande du nombre de phases d'alimentation d'un cycle complet en fonction de cette charge azotée et du volume minimal de liquide dans le réacteur, de sorte que la concentration en azote de la fraction volumique injectée est diluée dans le volume de liquide demeurant dans le réacteur, ce qui permet d'éviter l'inhibition des bactéries nitritantes, la charge azotée de la fraction volumique étant cependant suffisante pour assurer dans le réacteur un « à coup » ou pic de charge ammoniacale au déversement de chaque fraction, favorable au développement de la biomasse productrice de nitrites.

L'installation peut comprendre une sonde de mesure de conductivité et un débitmètre dans l'effluent sortant, et différents capteurs dans le réacteur, en particulier des capteurs de conductivité, de concentration en oxygène dissous, de potentiel redox et de pH, toutes ces sondes et capteurs étant reliés au contrôleur pour permettre un suivi en continu de l'évolution du traitement et la commande d'actions correctives.

De préférence, l'installation comprend une source carbonée et une pompe doseuse commandée par le contrôleur pour le temps d'injection de la source carbonée pendant une phase d'anoxie, ce temps d'injection étant déterminé à partir des mesures de la charge azotée entrante.

L'installation comprend des moyens d'aération commandés par le contrôleur selon les mesures de concentration en oxygène dissous.

L'invention permet, par un fractionnement optimisé des étapes d'alimentation, d'aération et de non aération d'un cycle RBS en plusieurs phases, de créer des effets bénéfiques vis à vis d'un traitement de l'azote par shunt des nitrates :

a) « à coups » de charge ammoniacale

Dans un système à alimentation continue, par exemple selon EP 0 826 639, la concentration en substrat dans le réacteur est égale à celle mesurée en sortie de réacteur. Etant donné que la concentration ammoniacale détermine directement les cinétiques de production de nitrites, il est très difficile d'obtenir à la fois une vitesse et un rendement de conversion élevés.

Dans un RBS, le fait de fonctionner par fractions volumiques ou bâchées successives permet de concentrer l'ion ammonium en début de sous-cycle et de favoriser l'action des bactéries nitritantes, en inhibant les bactéries nitratantes, et ainsi d'atteindre de fortes vitesses réactionnelles. Par contre, étant donné la forte concentration ammoniacale du milieu, il convient de fractionner ces à coups de charge pour les diluer dans le réacteur, et éviter une inhibition de la biomasse productrice de nitrites.

Le procédé de l'invention permet un fractionnement optimal de l'alimentation permettant de maximiser les vitesses de conversion de l'ammonium tout en évitant l'inhibition de la biomasse.

b) Gestion d'une aération limitée

La configuration RBS permet une rétention de biomasse. De ce fait, une sélection de la biomasse productrice de nitrites par limitation de l'âge de boues (principe du procédé de EP 0 826639) n'est plus applicable. Le maintien d'une faible concentration en oxygène dissous dans le bassin biologique pendant la phase aérée devient nécessaire pour assurer la formation de nitrites tout en évitant la formation de nitrates.

En raison de la forte variabilité de l'effluent à traiter, il existe un risque de mauvaise adaptation des apports en oxygène, qu'il s'agisse d'un manque en quantité ou d'une distribution inappropriée de l'oxygène dans le temps au cours des séquences aérobie /anoxie.

L'invention permet un meilleur contrôle de la concentration en oxygène dissous à de faibles valeurs en limitant la durée des phases aérées et en adaptant l'apport d'oxygène à la charge à traiter.

c) Auto-régulation du pH du milieu

Le maintien du pH entre 6.5 et 8.5 permet d'éviter l'inhibition de la biomasse oxydatrice de l'ammonium. Or le procédé RBS appliqué au shunt des nitrates est susceptible d'amplifier les chocs de charge ammoniacale vis-à- vis de la biomasse oxydatrice de l'ammonium au début de chaque bâchée, et indirectement de conduire à des valeurs de pH plus faibles pendant la phase aérée. En effet, des protons sont libérés lors de la production de nitrites et des ions hydroxyles sont libérés pendant la dénitritation. Leur impact sur le pH du milieu est plus fort s'ils peuvent s'accumuler lors d'une bâchée.

L'invention permet une meilleure auto-régulation du pH du milieu par alternance de phases rapprochées de nitritation et de dénitritation.

d) Gestion optimisée de la phase anoxie

Le maintien de durées de non aération prolongées en conditions de faible charge peut conduire à l'établissement de conditions anaérobies, altérant le bon fonctionnement du procédé et pouvant occasionner une contamination des capteurs employés.

L'invention permet de limiter les risques d'anaérobiose par limitation de la durée des phases non aérées.

Par ailleurs, la disponibilité du carbone biodégradable pendant la phase non aérée doit être assurée pour compléter la dénitritation. Etant donné que les effluents considérés contiennent typiquement très peu de carbone biodégradable, l'étape de dénitrification requiert généralement l'ajout d'une source externe. Il est très important d'optimiser la quantité de réactif ajoutée, qui représente un des principaux postes de coût du procédé. En règle générale, un certain dosage constant est appliqué en fonction d'une charge azotée moyenne pré-établie, selon un rapport stoechiométrique théorique ou selon un ratio établi expérimentalement.

L'invention permet une optimisation de l'ajout de carbone biodégradable en adaptant l'apport de réactif à la charge à traiter.

L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci- après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif.

Sur ces dessins :

Fig.1 est un schéma d'une installation avec un réacteur biologique séquentiel pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Fig.2 est un graphe illustrant la variation du niveau dans le réacteur, en fonction du temps, au cours d'un cycle de traitement.

Fig.3 illustre les phases successives d'un cycle, avec sous-cycles.

Fig.4 est un schéma synoptique de l'installation fonctionnant selon le procédé.

Fig.5 est un graphe illustrant les variations, dans le réacteur, des valeurs :

- de hauteur d'eau, exprimée en mètres (m),

- de la concentration en oxygène dissous exprimée en mg/l,

- du pH,

- de la conductivité X exprimée en mS/cm (millisiemens par centimètre)

- et la concentration en ammonium exprimée en mgN/l portés en ordonnée, en fonction du temps en heures porté en abscisse, et

Fig.6 est un graphe illustrant les variations de concentration ammoniacale exprimée en mgN/l et de débit exprimé en m ³ /j (m ³ /jour) portées en ordonnée, en fonction du temps, exprimé en jours, porté en abscisse.

En se reportant à Fig.1 du dessin, on peut voir une installation pour le traitement d'effluents concentrés en ammonium, généralement ayant une concentration en azote supérieure à 100mgN/l (100 mg d'azote/litre). L'installation comprend un réacteur biologique séquentiel 1 qui est rempli.pour un cycle complet, par fractions volumiques ou bâchées, et vidangé après traitement. Les effluents déversés dans le réacteur 1 sont également appelés « affluents ». Un volume minimal de liquide Vmin subsiste dans le réacteur 1 après vidange, le niveau de ce liquide étant schématisé par la ligne horizontale 2 sur Fig.1.

Le réacteur biologique séquentiel, en abrégé RBS, contient des bactéries nitrifiantes , comprenant des bactéries nitritantes (oxydatrices d'ammonium en nitrites) et des bactéries nitratantes (oxydatrices de nitrites en nitrates). Les

conditions de fonctionnement sont prévues pour privilégier l'action des bactéries nitritantes transformant l'ammonium en nitrites et inhiber au maximum l'action des bactéries nitratantes, pour éviter la transformation des nitrites en nitrates.

Un bassin tampon 3 est prévu en amont du réacteur 1. L'alimentation du réacteur 1 en affluent à traiter est assurée par une pompe 4 montée sur une conduite 5 venant du bassin tampon 3. La vidange est assurée par exemple par une pompe 6 et une conduite 7 formant tube plongeur jusqu'au niveau 2. Une source carbonée 8, par exemple un réservoir de méthanol, est prévue pour permettre à une pompe doseuse 9 d'injecter dans le réacteur, au cours de phases d'anoxie, une dose de méthanol, ou d'une autre source carbonée. Dans le fond du réacteur 1 sont prévus des moyens d'aération 10, par exemple des tubes perforés, reliés à une source d'air sous pression, par exemple un surpresseur 11, par l'intermédiaire d'une électrovanne 12.

Au cours d'un sous-cycle de traitement, après alimentation de la fraction volumique, dans une première phase aérobie une aération du réacteur 1 est assurée par envoi d'air dans les tubes 10 et formation de bulles dans l'affluent contenu dans le réacteur pour provoquer la transformation de l'ammonium en nitrites sous l'action des bactéries nitritantes (nitritation). Dans une phase suivante d'anoxie, l'aération est arrêtée et une source carbonée, par exemple du méthanol, est introduite dans le réacteur 1 à l'aide de la pompe doseuse 9 pour la transformation des nitrites en azote. L'ensemble de la phase aérobie et de la phase anoxie constitue le cycle biologique du sous-cycle.

On désigne par « cycle complet » l'ensemble des opérations effectuées pour traiter un volume correspondant à la capacité du réacteur entre le niveau maximal 13 et le niveau minimal 2 de liquide. Au début du cycle complet le niveau est minimal, puis le réacteur est rempli jusqu'au niveau maximal 13 et, après traitement, le réacteur est vidangé jusqu'à son niveau minimal 2.

Le réacteur 1, pour un cycle complet, est alimenté par fractions volumiques successives. Le volume d'affluent de chaque fraction ne représente qu'une partie de la capacité du réacteur, de sorte que la concentration en azote de l'affluent est diluée dans le contenu du réacteur et reste acceptable pour éviter une inhibition des bactéries nitritantes par une concentration trop forte en azote. Ainsi, les fractions successives d'affluent introduites dans le réacteur feront

monter le niveau de liquide par marches successives 14, 15, 16 et 13 (Fig.2), soit quatre marches dans l'exemple considéré. Si l'affluent entrant a une concentration largement supérieure à la concentration inhibitrice des bactéries nitritantes à ne pas dépasser, le fractionnement de l'alimentation provoque une dilution de la fraction versée dans le volume de liquide se trouvant déjà dans le réacteur 1, ce qui permet d'éviter le dépassement de la concentration inhibitrice.

Au début de l'injection de chaque fraction volumique d'affluent, un « à coup » ou pic P (Fig.5) de charge ammoniacale se produit, favorable au développement de la biomasse nitritante au détriment de la biomasse nitratante, et ce malgré la rétention de boues propres au réacteur 1. De préférence le pic P reste supérieur à 125% de la concentration ammoniacale caractérisant la fin du sous-cycle concerné, pendant un temps au plus égal au quart de la durée du sous-cycle..

Des sondes de mesure et des capteurs sont prévus en différents endroits de l'installation. Une sonde 17 de mesure de conductivité de l'effluent et un débitmètre 18 sont prévus sur la conduite d'arrivée de l'effluent. Les résultats de mesures sont envoyées sous forme de signaux électriques à des moyens de calcul et de commande électroniques, notamment formés par un ordinateur ou contrôleur C à microprocesseur. Ces mesures de conductivité et de débit permettent à C de déterminer la charge azotée qui rentre dans le réacteur 1 pendant un intervalle de temps donné. Une sonde 19 de mesure de conductivité et un débitmètre 20 sont prévus sur la conduite de vidange ; les résultats des mesures sont envoyés également sur le contrôleur C. Dans le liquide du réacteur 1, constituant le bassin biologique, on prévoit une sonde 21 de mesure d'oxygène dissous, une sonde 22 de mesure de potentiel redox, une sonde 23 de mesure de pH et un capteur 24 de température. Toutes ces sondes ou capteurs sont reliés au contrôleur C lequel commande la mise en marche ou arrêt des pompes 4, 6 et 9, ainsi que l'ouverture ou la fermeture de l'électrovanne 12 et le fonctionnement ou l'arrêt du surpresseur 11.

Comme illustré schématiquement par la partie inférieure de Fig.3, un cycle complet comprend plusieurs sous-cycles successifs, chaque sous-cycle comportant les étapes suivantes :

- alimentation d'une fraction volumique,

- et un cycle biologique avec

une phase d'aération pour traitement aérobie de nitritation, et une phase d'anoxie pour transformation des nitrites en azote. Le cycle complet se termine par une étape de sédimentation, puis une vidange. Les durées des différentes phases et étapes peuvent varier. La partie supérieure de Fig.3 illustre schématiquement les « à coups » ou pics P de charge ammoniacale [NH4+], exprimée en mgN/l, provoqués par l'alimentation en début de chaque sous-cycle. Les pics P se retrouvent de manière plus précise sur le graphe de Fig.5.

Afin d'adapter le fonctionnement du procédé à la variabilité de l'affluent à traiter, la détermination du nombre et de la durée des phases et de l'ajout de réactif carboné 8 est effectuée par le contrôleur C, selon un programme introduit dans ce contrôleur, à partir de mesures en temps réel, à trois niveaux :

1) dans l'affluent brut, pour déterminer la charge azotée entrante et affiner le nombre de sous-cycles « alimentation / aération / anoxie », le temps d'aération et l'ajout de source carbonée,

2) dans le rejet, pour déterminer le rendement de traitement et permettre un ajustement rétroactif du procédé,

3) dans le réacteur biologique, pour contrôler le bon déroulement des processus biologiques pendant les cycles aérés et non aérés.

Les différents éléments du procédé de l'invention sont détaillés dans ce qui suit.

1) Utilisation de mesures dans l'affluent à traiter

La charge azotée entrante pendant un intervalle de temps donné est déterminée grâce, par exemple, à la mesure de conductivité avec la sonde 17, et de débit avec le débitmètre 18, ou à l'utilisation de capteurs spécifiques :

• Un fractionnement optimal de l'alimentation au cours du cycle global RBS est effectué de manière à doper les cinétiques de productions de nitrites par des à coups de concentration ammoniacale, mais en évitant d'altérer l'activité bactérienne.

Ce fractionnement est obtenu en commandant la marche ou l'arrêt de la pompe 4.

• Les besoins en oxygène journaliers sont estimés, ainsi que la durée de la phase d'aération nécessaire pour satisfaire cette demande en fonction de la puissance d'aération installée et du nombre de cycles d'aération / non

aération appliqués. Le surpresseur 11 et la vanne 12 sont commandés en conséquence par C.

• Les besoins en carbone biodégradable sont calculés à partir de ratios théoriques ou expérimentaux, et le temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9 de réactif carboné pendant la phase anoxie est fixé en conséquence. Le fonctionnement de la pompe 9 est commandé par C.

Le nombre minimal de phases d'alimentation Nalim _m j _n (ou nombre de fractions volumiques successives) d'un cycle complet RBS est déterminé par le contrôleur C en fonction de la charge volumique azotée à traiter (une plus forte charge entraînant un accroissement du nombre de cycles), de manière à éviter l'inhibition par la concentration ammoniacale. La formule suivante pourra être employée pour calculer le fractionnement minimal à appliquer a la charge journalière :

Nalim _m , = ^FNH4 ' ^J

([NH ₄ ⁺ ], _hib -[NH ₄ ⁺ ] _eff ) *V _m , *N RBS

où,

Nalim _m , _n : nombre minimal de phases d'alimentation (ou fractions volumiques)

FNH4,J : charge azotée journalière

[NH ₄ ⁺ ]eff : concentration en ammonium dans l'effluent sortant du réacteur

Vmin : volume liquide minimal (après vidange/extraction et avant alimentation)

NRBS : nombre de cycles complets RBS par jour

[NH/jinhib : concentration en ammonium inhibitrice de la biomasse nitritante ; elle dépend du pH et de la température du milieu et de la concentration en ammoniac inhibitrice [NH3]j _nh ιb de la population bactérienne présente dans le réacteur, sous la forme :

μ _rN \ _H tt ₄ ⁺ jI _iπhib - - — ¹⁴ J ^NH 3Lib * ( —κ _w -/κ _{b +} io ^pH ) ou JL _w /A _h _- e 344/ _(2W o)

Des concentrations de l'ordre de 10 mg N-NH ₃ /! peuvent déjà être toxiques pour les bactéries nitritantes.

Le contrôleur C détermine un nombre minimal Nbiol _m j _n de sous-cycles aérobie / anoxie de manière à ne pas dépasser une durée totale de réaction biologique donnée, choisie de manière à éviter des oscillations de concentration en

oxygène dissous et de pH trop importantes, ainsi que des périodes d'anoxie prolongée.

Afin de maintenir la robustesse et la régularité du traitement il convient de faire coïncider le nombre d'alimentations avec le nombre de sous-cycles aérobie /anoxie de manière à appliquer un seul sous-cycle « alimentation / aérobie / anoxie ». Le nombre NC de sous-cycles effectivement appliqué sera donc la plus forte valeur entre Nalim _min et Nbiol _min .

Une fois défini le nombre de sous-cycles « alimentation / aérobie / anoxie », un certain nombre de sous-cycles type « aérobie / anoxie », dont les durées des phases aérées et anoxies sont fixées sont prédéfinis. La durée totale tC de ces phases de réaction sera calculée en fonction du nombre de sous-cycles NC : tC = (tRBS - talim - tsedim — t _e χtract)/NC

Le sous-cycle « aérobie / anoxie » effectivement appliqué sera celui dont la durée d'aération correspondra le mieux à la durée d'aération théorique calculée par le contrôleur C à partir de la charge entrante, de la configuration du système d'aération du réacteur et de la cinétique de réaction. De la même manière, un temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9 de méthanol pourra être déterminé par C à partir des mesures de la charge azotée entrante.

Le calcui de la charge azotée moyenne est effectué sur une période pertinente, par exemple celle de la durée du cycle biologique, de la période d'alimentation, du temps de séjour hydraulique ou de la journée, car étant donné la variabilité intrinsèque aux types d'effluents traités, un pas de temps trop court conduirait à une instabilité du système et un pas de temps trop long conduirait à un niveau d'aération et/ou d'ajout de source carbonée généralement inadapté à la qualité de l'effluent à traiter.

2) Utilisation de mesures dans le rejet

II est possible de perfectionner la conduite de l'aération en introduisant un ajustement automatique rétroactif en fonction du rendement d'élimination d'azote du traitement biologique, calculé par C à partir de mesures en ligne en entrée et en sortie du réacteur 1.

Afin d'optimiser l'ajout de réactif carboné, il est possible d'instaurer un système de rétro-ajustement automatique du temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9 à partir de mesures en entrée (17, 18) et en sortie (19,20) du bassin biologique. Si le rendement d'élimination d'azote calculé par le contrôleur C est supérieur à un rendement minimal prédéterminé, le contrôleur C commande une diminution du temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9 afin de réduire la quantité de réactif carboné ajoutée (initialement calculée en fonction de la charge entrante). En cas de détérioration de la qualité de l'affluent traité sortant du réacteur 1, la première action corrective commandée par le contrôleur C sera le rétablissement du temps initial de fonctionnement de la pompe doseuse 9. La périodicité de ce réajustement devrait atteindre au minimum 3 âges de boues pour ne pas introduire de perturbations trop importantes dans le système. On rappelle que l'âge de boue est le rapport entre la masse de boues présentes dans le réacteur et la masse de boues journalières extraites du réacteur.

Cette application est particulièrement utile dans le cadre du traitement des effluents concentrés en azote auxquels s'applique le procédé de l'invention, pour lesquels des processus alternatifs de dénitrification autotrophe ont pu être répertoriés, conduisant à des besoins pratiquement nuls en carbone biodégradable.

Afin de commander une action corrective appropriée, il est souvent utile de coupler cette information à celle fournie par des capteurs témoins de l'état du système dans le bassin biologique, c'est à dire dans le liquide contenu dans le réacteur 1.

3) Utilisation de mesures dans le bassin biologique

Le procédé peut utiliser l'information fournie par différents capteurs dans le bassin biologique, tels que des capteurs de conductivité 21 , de concentration en oxygène dissous 22, de potentiel redox 23 et de pH 24, reliés au contrôleur C et qui vont permettre le suivi en continu de l'évolution du traitement et la commande d'actions correctives. Des capteurs de température sont prévus : on mesure la température dans le réacteur, et on assure une régulation de la température de manière à la maintenir entre 5 et 45 ⁰ C.

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La durée des phases aérées et non aérées initialement définie en fonction de la charge azotée à traiter et éventuellement du rendement d'élimination de l'azote peut donc être modulée par le contrôleur C en fonction de consignes ou de seuils de conductivité, de concentration en oxygène dissous, de potentiel redox et/ou de pH. Ainsi, le fonctionnement du dispositif d'aération 10, 11 peut être :

- régulé en fonction d'une consigne en oxygène dissous et/ou de la dérivée du potentiel redox et/ou de la conductivité.

- stoppé ou relancé en fonction de seuils d'oxygène dissous et/ou de potentiel redox et/ou de pH, le contrôleur C commandant la mise en marche ou l'arrêt du surpresseur 11 , avec ouverture ou fermeture de la vanne 12.

Le choix des capteurs et du type de régulation de l'aération sera orienté en fonction des contraintes technico-économiques particulières du système.

Le schéma de la figure 4 illustre un système de gestion complet basé sur des mesures de débit Q et de conductivité X en entrée et en sortie de réacteur 1 et sur des mesures de concentration en oxygène dissous 02, de pH, de potentiel redox ORP et conductivité X dans le réacteur biologique 1. La mesure de la charge en entrée de réacteur permet de définir un nombre NC de sous-cycles de durée tC, et une durée des phases aérées (t aer) et des phases non aérées (t anox). Un affinage à l'option inférieure C(x-1) ou supérieure C(x+1) est effectué en fonction des calculs de rendement (R) et des mesures en ligne dans le réacteur biologique.

Exemple

La charge azotée moyenne d'un surnageant de centrifugation de boues digérées est de 150 kg N/j pour une concentration moyenne de 600 mg N- NH ₄ ⁺ /!, mais variable entre 400 et 1000 N-NH ₄ ⁺ /!. On considère également que l'alimentation est stoppée pendant trois jours suite à une panne des centrifugeuses vers le vingtième jour entraînant un débit nul (Figure 6).

Cette charge azotée est traitée dans un réacteur biologique séquentiel (RBS) de 450 m ³ dont la hauteur liquide varie entre 3 et 4 m, selon 3 cycles complets de 8h /j. Un fractionnement de l'alimentation minimal (Nalim _m j _n ) en 4 phases a été calculé en prenant les hypothèses suivantes : [NH ₄ ⁺ J _eW = 50 mg N/l, [NH ₃ ]iπ _h ib = 10 mg N-NH ₃ /!, pH = 8.3, T = 25°C. Le temps tC biologique résultant, de 90 minutes, était cohérent avec le minimum fixé pour le système. Quatre

sous-cycles « alimentation / aération / anoxie » sont donc appliqués avant les étapes de sédimentation et de soutirage afin d'éviter l'inhibition par la concentration ammoniacale aux pH les plus élevés, afin d'appliquer une durée d'aération suffisante et afin d'éviter des périodes d'anoxie prolongées. Dans cette configuration, cinq options de durées de réaction biologique (aération / anoxie) ont été définies (Tableau 1).

Tableau 1 : Cycles complets et cycles biologiques (des sous-cycles) du réacteur RBS employé pour le traitement de l'azote d'effluents de digesteur par shunt des nitrates.

La charge azotée entrante est calculée par le contrôleur C une fois par jour à partir des moyennes des mesures de conductivité , fournies par la sonde 17, et de débit de l'alimentation fourni par le débitmètre 18. La relation conductivité/ammonium a préalablement été établie pour cet effluent. Les temps d'aération et de non aération théoriques sont calculés à partir de la charge à traiter en fonction des besoins en oxygène (par rapport à l'intermédiaire nitrite), en vérifiant que les cinétiques de réaction ne sont pas limitantes. De cette manière, la plus proche des cinq options de durées prédéfinies est appliquée. En parallèle, le temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9 de méthanol est déterminé en fonction des besoins en carbone biodégradable (par rapport à l'intermédiaire nitrite) de la charge entrante, en vérifiant que les cinétiques ne sont pas limitantes.

La figure 5 reprend une évolution typique des paramètres de suivi et de contrôle dans le réacteur 1 pendant les quatre sous-cycles d'un cycle complet de 8h : • Concentration en oxygène dissous

La sonde 22 à oxygène dissous permet la régulation de l'aération entre les consignes de 1 et 2 mg O ₂ /l ; une durée de phase aérée plus longue aurait impliqué des arrêts et redémarrages plus fréquents du surpresseur 11. La courbe en tirets 02 de Fig.5 représente les variations de la concentration 02 qui augmente en aérobie et diminue et s'annule en anoxie.

• pH

La courbe pH représente les variations du pH qui diminue en phase aérobie et augmente en phase anoxie. Le pH reste compris entre 6.5 et 8.5, pratiquement entre 7 et 8.

Si l'alimentation n'était pas fractionnée, le pH serait probablement descendu, lors des phases aérobie, jusqu'à des valeurs inhibant l'activité des bactéries oxydatrices de l'ammonium.

• Conductivité

La courbe X (conductivité) montre une baisse de conductivité pendant la phase de dénitritation anoxie comme conséquence du passage de formes ioniques azotées en azote gazeux. En fin de période, la dérivée de la conductivité tend vers zéro, reflétant une dénitrification complète.

La courbe NH4 ⁺ fait apparaître les pics P de concentration ammoniacale, ou « à coups de charge » ammoniacale, en début d'alimentation de chaque fraction volumique, en correspondance avec les marches de la courbe H de hauteur d'eau. Les pics P atteignent 100 mgN/l et ne restent supérieurs à 65 mgN/l (125% des 52 mg N/l mesurés en fin du sous-cycle) que pendant un intervalle de temps inférieur au quart de la durée du sous-cycle.

L'élimination de l'azote ammoniacal du système se déroule par shunt des nitrates, avec une oxydation de l'ammonium en nitrites pendant la phase aérée et une réduction des nitrites en azote gazeux pendant la phase anoxie grâce au méthanol ajouté. La pression exercée par les « à coups de charge » ammoniacaux au début de chaque sous-cycle biologique, unie au maintien de faibles concentrations en oxygène dissous pendant la phase aérée, permet de développer sélectivement la biomasse nitritante au détriment de la biomasse nitratante, et ce malgré la rétention de boues propre au réacteur RBS.

La mesure de conductivité en fin de traitement, par la sonde 19, permet une évaluation régulière du rendement d'élimination de l'azote, et sert d'alarme pour corriger d'éventuelles dérives du système. Ainsi, un rendement minimal de 80% étant fixé, celui-ci est descendu à 70 % alors que le cycle biologique n°2 était appliqué. Le contrôleur C a vérifié que la concentration en oxygène dissous n'avait pas dépassé 1 mg/l pendant les phases aérées de la journée, reflétant une oxydation incomplète de la charge ammoniacale, et le cycle n°3, comportant une phase aérée plus longue, a été commandé. La mesure de conductivité, par le capteur 21, dans le réacteur biologique peut également s'avérer utile. Ainsi, quelques jours plus tard une nouvelle baisse de rendement a été observée alors que la dérivée de la mesure de conductivité pendant les phases anoxies ne tendait pas vers 0, reflétant une dénitrification incomplète. L'action subséquente a été d'appliquer le cycle n°2.

Une boucle de ré-ajustement de l'ajout de méthanol ajouté a finalement été instaurée, de manière à réduire tous les 15 jours le temps de fonctionnement de la pompe doseuse 9. En cas de baisse du rendement d'élimination de l'azote en dessous de la valeur minimale fixée, le temps de fonctionnement de la pompe 9 a été rétabli à la valeur précédente.

Le procédé de l'invention permet de réaliser des économies considérables par rapport à l'énergie d'aération (25%), à l'ajout de réactif carboné (40% minimum) et à la production de boues (environ 30%), tout en apportant en permanence des quantités d'air et de carbone suffisantes pour traiter la charge polluante dans un réacteur biologique séquentiel. Cette configuration permet d'appliquer des charges volumiques supérieures à celles d'autres réacteurs à alimentation continue décrits antérieurement pour un traitement de l'azote par shunt des nitrates.