filtres biologiques

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généralités

Le terme de filtres biologiques ou biofiltres utilisé en traitement d’eaux résiduaires recouvre l’ensemble des procédés qui associent une épuration biologique par cultures fixées et une rétention des matières en suspension.

Cette technique met en œuvre des films biologiques minces et régulièrement renouvelés par les lavages (cycles de 12 à 48 h). Il en résulte une biomasse de concentration et surtout d’activité plus élevées qu’en boue activée. Ses principaux avantages par rapport à une boue activée sont les suivants :

  • gain de place, dû en particulier à la suppression de l’étage de clarification. Cette compacité facilite la couverture des ouvrages, la maîtrise des nuisances olfactives et sonores et la réalisation de stations esthétiques ;
  • pas de risque de lessivage, puisque la biomasse est fixée sur un support permettant de faire face à des variations de débit ;
  • adaptation au traitement d’eaux résiduaires diluées, les vitesses d’eau pouvant être très élevées (voir ci- après) sans nuire au traitement ;
  • construction modulaire et facilité d’automatisation (comparable aux batteries de filtration des stations d’eau potable).

L’oxygénation peut être réalisée par dissolution préalable d’oxygène de l’air (voir Flopac), ou par injection directe d’air dans le réacteur (voir Biofor).

le Flopac

Le procédé par prédissolution d’oxygène dans l’eau à traiter a été mis en œuvre en filtration tertiaire pour des applications dans lesquelles on recherchait, outre une élimination poussée des matières en suspension, une réduction de la DBO résiduelle et de l’azote. Le procédé Flopac développé par Degrémont dans les années 70, cor­respond à cette application. Les limites de ce procédé sont dues à la quantité maximale d’oxygène pouvant être dissous. À pression atmosphérique, il est en effet difficile d’atteindre mieux que 85 % de la saturation, soit de 6 à 9 mg · L–1 d’O2 selon la température. On peut doubler ce chiffre en recyclant 100 % du débit d’eau traitée, mais ceci permet au mieux d’éliminer de 15 à 20 mg · L–1 de DBO ou quelques mg/L d’azote.

Il est envisageable, pour des filtres de surfaces limitées, de fonctionner sous pression.

Le Flopac est maintenant conçu comme un filtre tertiaire, fonctionnant en courant descendant et avec du sable 1,35 mm ou de la Biolite 1,7mm comme matériau support. La vitesse de filtration varie de 5 à 15 m/h selon les cas et il sera utilisé en affinage après un traitement secondaire poussé (boue activée ou culture fixée) voire après un traitement tertiaire.

La limite d’apport en air a conduit à développer au début des années 80, des réacteurs avec transfert de l’oxygène au sein même du réacteur. Dans ce cas, les sens respectifs de passage de l’air et de l’eau présentent une grande importance. La pratique de la filtration d’eau potable a amené dans une première approche à réaliser des réacteurs à flux descendant et à contre-courant d’air. Cette technique génère divers problèmes :

  • colmatage de surface par les matières en suspension. Le front de filtration et l’encrassement en profon­deur sont gênés par le flux ascendant d’air, ceci se traduit par une augmentation rapide de la perte de charge avec diminution du débit traité et des cycles courts ;
  • embolie gazeuse. Le contre-courant d’air et d’eau entraîne une coalescence des bulles d’air. Des poches de gaz se forment au sein du matériau et créent une « embolie gazeuse » ;
  • génération de mauvaises odeurs. L’effluent brut se trouve à la partie supérieure du filtre où le bullage gazeux entraîne le stripping de produits malodorants.

Ces divers problèmes ont des répercussions néfastes sur la biofiltration à courant d’eau descendant et ont conduit Degrémont, dès 1982, à opter pour la technique du cocourant air et eau en flux ascendant (procédé Biofor). Une exception à signaler : en nitrification d’eau potable, la technique du contre-courant air et eau peut encore être utilisée en raison des faibles débits d’air d’où des risques d’embolie gazeuse réduits (pro­cédé Nitrazur, voir applications du génie biologique en traitement des eaux potables).

le Biofor

principales caractéristiques

Le Biofor est un réacteur biologique à bactéries fixées sur un matériau spécifique monocouche fixe et immergé. Ce matériau appelé biolite, à base d’argile expansée, de densité supérieure à 1,2, offre une forte rugosité et une grande surface spécifique. Cette caractéristique permet de conserver un film bactérien suf­fisant pour redémarrer très rapidement le processus biologique, même après un lavage air et eau énergique.

Le Biofor fonctionne en flux ascendant d’eau et d’air, ce qui présente de nombreux avantages : vitesse de passage d’eau pouvant être importante, capacité de rétention des MES élevée (bon étalement des MES sur toute la profondeur du filtre), rendement élevé d’oxygénation.

L’oxygénation est réalisée par diffusion d’air, dite de procédé, à la base du matériau filtrant. L’équirépar­tition est assurée par un ensemble de collecteurs maillés sur lesquels sont montés des diffuseurs à mem­branes appelés Oxazur.

Des lavages périodiques, air et eau, permettent d’éliminer les boues accumulées dans le matériau, dues à la rétention des MES et à la prolifération bactérienne. Ces lavages par air et eau sont automatisés et initiés soit par une perte de charge maximale, soit par une durée de cycle maximale prédéfinie. L’eau sale de lavage est récu­pérée dans une bâche puis traitée et recyclée.

Développé au début des années 80 pour l’épuration secondaire des eaux usées urbaines, le Biofor a été peu à peu décliné en plusieurs types assurant des fonctions diverses. On peut les regrouper en deux familles :

  • les Biofor aérés : Biofor C pour l’élimination du carbone, Biofor CN pour l’élimination du carbone et une nitrification partielle, Biofor N pour la nitrification poussée ;
  • les Biofor non aérés : Biofor pré-DN ou post-DN pour la dénitrification.

le Biofor aéré

description

Une installation Biofor comporte une batterie de réacteurs identiques constitués généralement d’un cuve­lage rectangulaire en béton et comportant chacun (figure 30) :

  • un puits d’alimentation d’eau à traiter équipé d’un tamis de protection ;
  • un plancher support des matériaux granulaires avec un système d’introduction et de répartition des fluides ;
  • deux déversoirs frontaux de reprise de l’eau traitée et de l’eau de lavage. Ces déversoirs sont protégés par une herse de tranquillisation éliminant les turbulences et dégageant les bulles d’air éventuellement accrochées sur les grains de biolite ;
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Figure 30. Schéma de principe du Biofor aéré
  • une goulotte frontale de collecte propre à chaque filtre et une partie du canal de collecte commun à la batterie de filtres.

Le plancher supporte deux couches-supports intermédiaires et de 3 à 4 m environ de matériau biolite. L’équirépartition des fluides introduits sous le plancher de filtre (eau brute, eau de lavage, air de lavage) est assurée par des buselures du même type que celles des filtres à sable mais spécialement adaptées aux eaux résiduaires, à raison de 50 par m2 environ.

L’introduction et l’équirépartition de l’air de procédé sont réalisées dans la couche support par des diffu­seurs à membrane élastique déformable, à raison de 25 ou 50 unités par m2 de plancher.

Densité et granulométrie du matériau biolite sont choisies en fonction de l’utilisation. Trois types de maté­riaux sont couramment utilisés pour les Biofor aérés :

  • la biolite L 2,7 (concassée) ou P 2,7 (ronde), de taille effective comprise entre 2,5 et 2,9 mm;
  • la biolite P 3,5, de taille effective comprise entre 3,2 et 3,8 mm.

D’autres granulométries peuvent être choisies pour des applications particulières.
Outre cette batterie de réacteurs, fonctionnant en parallèle ou éventuellement en séries parallèles, l’instal­lation Biofor comporte également (figure 31) :

  • un ouvrage de répartition de l’eau à traiter ;
  • une galerie d’accès aux vannes automatiques et réseaux de conduites, aux fonds de filtres, vidanges… ;
  • un local attenant pour les pompes de lavage ;
  • un local pour les différents surpresseurs et compresseurs d’air ;
  • une bâche d’eau traitée pour eau de lavage ;
  • une bâche de stockage des eaux de lavage avec pompes d’évacuation.
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Figure 31. Schéma d’une batterie de Biofor

fonctionnement-automatisme

L’eau brute tamisée est introduite sous le plancher du réacteur. Le nombre de filtres en service est asservi soit au débit à traiter, soit à la charge polluante appliquée à la batterie.

L’introduction de l’air de procédé est permanente sur les filtres en service. Il est fourni soit par un surpres­seur propre à chaque réacteur soit, en particulier sur les grandes stations, par une centrale d’air et une vanne modulatrice à l’entrée de chacun des biofiltres.

L’eau traitée reprise par le déversoir frontal est évacuée gravitairement à l’exutoire après remplissage de la bâche de stockage d’eau de lavage ou dirigée sur un second étage biologique.

L’ensemble du cycle de lavage est automatique et dure environ 50-60 minutes. Il comprend plusieurs séquen­ces, décomposées en phase de lavage air et eau et phase de rinçage, suivies d’un rinçage final. La consom­mation d’eau traitée par lavage est d’environ 11 m3 · m–2 de filtre ; les eaux de lavage représentent habituellement de 5 à 8 % du volume d’eau filtrée par étage de traitement.

La gestion des cycles de lavage, la commande des machines tournantes et des vannes automatiques sont assurées à partir d’un automate programmable (voir instrumentations et mesures - l’architecture « Biofor »).

applications et performances

Le Biofor est normalement mis en œuvre après décantation primaire, traitement physico-chimique ou trai­tement biologique pour traiter des eaux résiduaires urbaines ou industrielles.

Ses domaines d’utilisation privilégiés sont les suivants :

  • applications où les contraintes de place ou de qualité de sol confèrent un avantage important à sa com­pacité (3 à 5 fois moins de surface au sol qu’une boue activée) ;
  • stations avec surcharge hydraulique brutale (par exemple : rejets de temps de pluie). La biomasse étant fixée ne peut être lessivée et les performances, y compris celle de la nitrification, sont restaurées au plus tard après le premier lavage.

Les tableaux 6 et 7 indiquent les vitesses et charges admises sur les différents types de Biofor aéré, ainsi que les performances moyennes courantes. Ces valeurs sont susceptibles de varier en fonction de certaines conditions : température, biodégradabilité et typologie de l’eau à traiter, en particulier quant aux ratios soluble/particulaire.

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Tableau 6. Vitesses et charges admissibles en Biofor aéré (T° C de 15 à 20 °C)
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Tableau 7. Rendements d’élimination typiques sur les Biofor aérés

élimination de la DBO

Sur des eaux résiduaires urbaines décantées primaires moyennement concentrées, des charges volumi­ques de 2 à 4 kg DBO · m–3 · j–1 permettent d’obtenir de manière fiable, une DBO inférieure à 25 mg · L–1. Elles peuvent même dépasser 6 kg DBO · m–3 · j–1 avec des eaux diluées (DBO inférieure à 70 mg · L–1).

Ces charges appliquées varient en fonction de la température. En revanche, la granulométrie du matériau utilisé affecte peu l’élimination de la DBO.

nitrification

La capacité maximale de nitrification CVn max. (en kg N-NH4 · m–3 · j–1) est fortement influencée par la tem­pérature, comme tout procédé de nitrification, mais également par le ratio carbone facilement assimilable/ N-NH4+ et donc par le traitement amont. C’est ce qu’illustrent le tableau 7 et la figure 32. Le tableau 7 montre qu’une charge en DBO de 1,5 kg · m–3 · j–1 diminue la charge nitrifiante éliminée d’un facteur voisin de 3. De même, les courbes de la figure 32 montrent bien l’influence de la DBO dissoute sur la nitrification (perfor­mance décroissante du traitement physico-chimique au traitement moyenne charge).

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Figure 32. Influence de la température sur la capacité de nitrification CVn max

Lorsqu’une nitrification partielle est demandée (rendement en NK inférieur à 70 %), un seul étage de bio­filtration suffit, il s’agit alors d’un Biofor CN. Il est recommandé d’éliminer un maximum de carbone en amont par un traitement primaire physico-chimique.

Lorsqu’une nitrification poussée est recherchée (rendement en NK de 80 à 96 %), il est avantageux d’éli­miner le maximum de carbone sur un premier étage. Le Biofor N sera alors précédé de préférence d’un étage Biofor C, ou d’un traitement par boues activées moyenne charge. Il est alors possible de nitrifier de l’ordre de 1,6 kg N-NH4 · m–3 · j–1 à la température de 20 °C.

Pour des rendements de nitrification intermédiaires (65-85 %) il est recommandé de comparer les solu­tions en un seul étage (Biofor CN) ou en deux étages (Biofor C suivi de Biofor N) avant de prendre une déci­sion.

élimination des MES

Les performances du Biofor dépendent du choix du matériau, de la concentration en MES de l’influent et de la charge hydraulique en filtration. Pour une eau à traiter présentant une teneur initiale en MES inférieure à 100 mg · L–1, les rendements d’élimination en MES varient de 75 à 85 % pour des vitesses d’eau moyennes allant de 3 à 6 m · h–1.

production de boues en excès

La production de boues en excès est la conséquence de la rétention des MES et de la croissance de bio­masse hétérotrophe et autotrophe. Elle est caractéristique des systèmes biologiques à moyenne charge, en tenant compte d’une meilleure captation des MES. La capacité de rétention en MES d’un filtre entre deux lavages est habituellement comprise entre 2 et 4 kg MES · m–3 de matériau.

Ces MES sont récupérées sous forme d’eaux de lavage dont la concentration moyenne varie de 200 à 800 mg · L–1 selon l’application. Elles sont soit retournées en amont du traitement primaire, soit traitées séparément par décantation ou flottation. À noter que ces boues possèdent des caractéristiques de décan­tabilité et de déshydratabilité bien meilleures que les boues activées.

vitesse d’air de procédé

La vitesse d’air de procédé appliquée VAP (Nm3 · m–2 · h–1) doit permettre de couvrir les besoins en oxy­gène suivants : oxydation du carbone, oxydation de l’azote N-NH4 et respiration endogène. Selon les condi­tions d’application, elle peut varier entre 5 et 25 Nm3 · m–2 · h–1, voire plus en nitrification tertiaire à température élevée. Le rendement de transfert d’oxygène, en conditions effectives, allant de 15 à 25 %, la dépense énergétique d’oxygénation se situe entre 0,5 et 0,7 kWh par kg de DBO éliminé (à pleine charge) ou entre 2,5 et 3,1 kWh par kg de N-NH4 nitrifié. À cette dépense s’ajoute l’énergie liée au lavage périodique du matériau, de l’ordre de 0,1 kWh par kg de DBO éliminé en Biofor C et de 0,15 kWh par kg de N-NH4 nitrifié en Biofor N.

le Biofor non aéré (dénitrification)

description

Le Biofor non aéréou Biofor DN permet de réaliser la réduction biologique des nitrates en azote molé­culaire par des bactéries dénitrifiantes fixées sur le matériau.

La conception du Biofor DN est semblable à celle du Biofor aéré. Elle s’en différencie néanmoins sur les points suivants :

  • suppression du réseau d’alimentation en air de procédé ;
  • granulométrie du matériau : le Biofor DN utilise essentiellement la biolite P 4,5, de taille effective com­prise entre 4,2 et 5 mm, sans couche support. La biolite P 3,5 peut également être utilisée dans certaines applications. La taille effective du matériau support à utiliser en dénitrification est toujours supérieure à celle utilisée dans d’autres applications. Ceci s’explique par la nature collante des boues de dénitrification et la nécessité de lavage énergique.

Selon sa position dans la filière de traitement, on distingue deux types de Biofor DN (figure 33), en com­binaison avec d’autres Biofor ou avec une boue activée : le Biofor pré-DN et le Biofor post-DN. Le carbone organique assimilable requis pour la dénitrification est apporté soit par la DBO rapidement biodégradable de l’eau décantée primaire dans le premier cas, soit par une source de carbone externe, méthanol généra­lement, dans le second cas.

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Figure 33. Exemples de filières utilisant le Biofor DN

applications et performances

Les critères d’application et de dimensionnement des deux types de Biofor DN diffèrent sensiblement (tableau 8) :

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Tableau 8. " Vitesses et charges admissibles en Biofor DN (T° C de 15 à 20 °C) "

NB : Le rendement de dénitrification et la concentration finale en nitrates influeront sur la charge éliminée.

  • Biofor pré-DN :

Le Biofor pré-DN est mis en œuvre après décantation primaire, avec ou sans ajout de réactifs chimiques, et en association avec un Biofor N positionné en aval. Les nitrates formés par oxydation de l’azote ammo­niacal dans le Biofor N sont partiellement recyclés en amont du Biofor pré-DN et dénitrifiés grâce au carbone organique de l’eau décantée.

Le rendement de dénitrification est donc directement lié :

  • à la fraction de DCO rapidement biodégradable de l’influent, en d’autres termes au rapport DCO soluble/ N-NO3 recyclé. On notera qu’une partie de la fraction colloïdale de la DCO est également mobilisée au taux de recirculation des nitrates, qui peut varier entre 100 et 200 % du débit d’entrée.

Pour une eau résiduaire urbaine typique, avec un rapport DCO/NK d’environ 10 à 13, cette configuration est bien adaptée lorsque le rendement d’élimination de l’azote total requis se situe autour de 50 à 60 %. Un rendement supérieur, de l’ordre de 70 à 80 % est envisageable, mais nécessite un apport de carbone externe et un taux de recirculation élevé, pénalisant pour le dimensionnement de l’installation malgré les fortes vitesses d’eau admissibles en Biofor pré-DN (tableau 8).

Par ailleurs, le dimensionnement doit tenir compte de l’oxygène dissous présent dans la recirculation qui vient concurrencer la réaction de dénitrification proprement dite (notion « d’équivalent-nitrate » : [NO3] + 0,35 [O2]). Au-delà de 70 % de rendement, un étage de Biofor post-DN complémentaire est recommandé.

Le Biofor pré-DN est intéressant à plusieurs titres : il permet une utilisation du carbone organique de l’eau brute, mais aussi une réduction de la quantité d’oxygène nécessaire à l’élimination de la DBO et une récu­pération d’alcalinité.

Un exemple de réalisation de cette filière est illustré en figure 34.

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Figure 34. Station d’épuration de ShinChun Yang Ju (Corée du Sud)

  • Biofor post-DN :

Le Biofor post-DN se positionne obligatoirement en aval d’un étage nitrifiant, tel que Biofor N ou boue acti­vée faible charge. Compte tenu que l’eau nitrifiée ne contient plus de carbone organique facilement biodé­gradable, un ajout de carbone externe est nécessaire (méthanol ou équivalent). Ce réactif est mélangé à l’eau à dénitrifier qui est admise sous le plancher du réacteur. Le dosage doit impérativement être asservi au débit traversier et à la concentration en équivalent nitrates pour éviter tout excès de méthanol et ne pas détériorer la DCO et la DBO de sortie.

Les avantages particuliers liés à l’application Biofor post-DN sont les suivants :

  • charge hydraulique maximale très élevée (tableau 8) ;
  • charge dénitrifiée très élevée, dépassant 5 kg éq. N-NO3 · m–3 · j–1 pour une température supérieure à 20 °C ;
  • rendement de dénitrification atteignant 95 %.

L’inconvénient principal est la nécessité d’ajouter un substrat carboné qui génère, sauf conditions favora­bles, un coût d’exploitation élevé.

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Photo 14. Biofor post-DN – Rostock (Allemagne) – Débit 120 000 m3 · j–1

Oxyblue : association de l’ozonation et de la biofiltration

Oxyblue assure le traitement des rejets en se positionnant comme l’ultime étape avant l’ultrafiltration ou l’osmose inverse; dans le cas de normes de rejet très contraignantes, il est utilisé pour le traitement final des eaux résiduaires urbaines (ERU) et le traitement des eaux résiduaires industrielles (ERI).

Dans certains cas pour certains effluents industriels, initialement peu biodégradable Oxyblue peut être mis en œuvre.

Le procédé associe l’augmentation de la biodégradabilité des effluents par une mise en contact maîtrisée avec l’ozone des matières organiques non biodégradables, combiné à un traitement de biofiltration Biofor.

Il permet de réduire de manière drastique les pollutions organiques non biodégradables et les micropolluants persistants des eaux usées. L’ozone, l’oxydant chimique le plus puissant utilisé en traitement d’eau, initie et accélère le processus de dégradation des matières organiques résiduelles : il oxyde la DCO réfractaire.

La biofiltration, intégrant des cultures biologiques fixées, permet ensuite d’éliminer la DCO biodégradable produite lors de l'ozonation.

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Figure 35. Principe de fonctionnement de l'Oxyblue

Oxyblue assure ainsi une élimination jusqu'à 60 % de la DCO et de polluants traces pour une qualité d'eau optimale, permettant le rejet en zones sensibles et la réutilisation des eaux traitées en cas de traitement quaternaire complémentaire par ultrafiltration ou osmose inverse.

Oxyblue contribue à une forte réduction de la consommation en réactifs de lavage des membranes (jusqu'à 50 %) et à une augmentation de la longévité des équipements d’ultrafiltration.

principales références

Tereos-Syral, Nesle (60), France

  • Capacité de traitement : 250 m3 /H
  • Destination de l’effluent : rejet de l’eau usée

Petrochina, Chengdu, Chine

  • Capacité de traitement : 1 600 m3 /H et 400 m3 /H
  • Destination de l’effluent : Réutilisation industrielle de l’eau usée et rejet de l’effluent

Petrochina, Dagang, Chine

  • Capacité de traitement : 200 m3 /H
  • Destination de l’effluent : rejet de l’effluent et réutilisation industrielle de l’eau usée

SCA, Laarkirchen, Autriche

  • Capacité de traitement : 2 500 m3 /H
  • Destination de l’effluent : rejet de l’eau usée