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WO2002068344A9 - Procede d'epuration biologique des eaux residuaires utilisant des particules support de biofilm - Google Patents

Procede d'epuration biologique des eaux residuaires utilisant des particules support de biofilm

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Publication number
WO2002068344A9
WO2002068344A9 PCT/FR2002/000601 FR0200601W WO02068344A9 WO 2002068344 A9 WO2002068344 A9 WO 2002068344A9 FR 0200601 W FR0200601 W FR 0200601W WO 02068344 A9 WO02068344 A9 WO 02068344A9
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microorganisms
supports
biological
purification
sludge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2002/000601
Other languages
English (en)
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WO2002068344A1 (fr
Inventor
Etienne Paul
Pierre Buffiere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Original Assignee
Ondeo Degremont
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to BR0207573A priority Critical patent/BR0207573A/pt
Priority to CA002438525A priority patent/CA2438525A1/fr
Priority to KR10-2003-7011295A priority patent/KR20030084953A/ko
Priority to AU2002241030A priority patent/AU2002241030B2/en
Priority to EP02706863A priority patent/EP1365996A1/fr
Priority to PL02365335A priority patent/PL365335A1/xx
Priority to HU0303842A priority patent/HUP0303842A3/hu
Priority to US10/469,038 priority patent/US6984314B2/en
Application filed by Ondeo Degremont filed Critical Ondeo Degremont
Priority to DE2002706863 priority patent/DE02706863T1/de
Priority to MXPA03007686A priority patent/MXPA03007686A/es
Publication of WO2002068344A1 publication Critical patent/WO2002068344A1/fr
Publication of WO2002068344A9 publication Critical patent/WO2002068344A9/fr
Priority to NO20033779A priority patent/NO324103B1/no
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/08—Aerobic processes using moving contact bodies
    • C02F3/085—Fluidized beds
    • C02F3/087—Floating beds with contact bodies having a lower density than water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/06—Aerobic processes using submerged filters
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/10—Packings; Fillings; Grids
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/02—Temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/22—O2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a process for the biological purification of wastewater using a mixed culture system using biofilm support particles 0. It also relates to equipment or a reactor for implementing such a process.
  • the implementation of the fixed cultures is carried out, 0 either in a fixed bed, that is to say that the growth support for the microorganisms is immobile in the reactor, or in a moving bed, in which case the support materials are small elements that can move freely in the area of contact with polluted water.
  • the setting in motion of these support elements can be carried out either by mechanical stirring, or by an injection of liquid, or even by an injection of gas, in particular air (this air may for example be the air necessary for functioning of microorganisms when these are 0 aerobic).
  • the creation and maintenance of a certain level of turbulence in the reaction medium is useful for maintaining continuous abrasion and cleaning of the support material for the microorganisms, this turbulence also making it possible to limit the accumulation of sludge. biological fixes.
  • Such turbulence can be created for example by the intensity of the gas injected into the medium. Reference may be made in this regard to EP-A-0 549 443.
  • the level of turbulence desirable in order to obtain the best results in the implementation of the method according to the invention, as defined above, can be expressed by the energy which is supplied by the aeration means and / or of brewing.
  • this energy is between 1 and 200 Watts per cubic meter of reactor and, preferably, between 2 and 50 Watts per cubic meter of reactor.
  • Such energy levels per cubic meter can be economically viable, given the compact nature of the reactors used in the process which is the subject of the invention and defined below.
  • the support material for microorganisms has a dimension, along any axis, which is between 2 and 50 mm.
  • the support material for microorganisms has a surface texture such that it includes areas protected from abrasion, allowing the growth of a biomass ensuring biological activity, as well as abrasive zones allowing, in the presence of a sufficient level of turbulence (as defined above) to exert friction on the external surfaces of the other particles which are present in the reaction medium.
  • the present invention also relates to a biological reactor for the implementation of the method defined above, this reactor being characterized in that it comprises means for retaining the supports of microorganisms, these means being positioned upstream of the means of 'evacuation liquid effluent leaving, after treatment, said reactor, these retaining means comprising:
  • an air intake manifold positioned at the base of said grid and operating continuously or intermittently to ensure scanning of the grid and - a deflector panel, parallel to said grid and located upstream of the latter .
  • the qualifier “upstream” implies in relation to the direction of flow of the effluent, from its entry into the reactor towards its evacuation from the latter.
  • the characteristic which consists in setting in motion the supports of the microorganisms for example by injection of a gas or by mechanical agitation or even by a combination of these two means, combined with the characteristic according to
  • the biological reactor in which the process which is the subject of the invention is implemented comprises an inclined grid provided with a deflector and an air intake ramp sweeping the surface of the grid, ensures a slower clogging of the grid than that observed in the reactor enclosures according to the prior art. It has been observed that the passage of the support materials in the vicinity of the grid, at a speed accelerated due to the presence of the deflector, contributes to detaching the solid matters likely to be deposited on said grid, thus making it possible to reduce the speed of clogging. It has also been observed, and this surprisingly, that a certain turbulent intensity in the reaction medium makes it possible to reduce the production of biological sludge.
  • the support material for microorganisms must have a large surface area in relation to the volume it occupies and, preferably, part of this surface must be protected from turbulence and collisions, as is clarified above.
  • the surface of the support material is greater than 100 m 2 per cubic meter of material and provision is made for abrasive growths on the external surface of said material. Thanks to this last characteristic, internal zones are defined which can be colonized by microorganisms in sufficient quantity to carry out the desired biological purification.
  • the external abrasive surface can be colonized by microorganisms in the form of biofilm, but the intensity of agitation and turbulence will be such that this biofilm will be in perpetual reconstruction, which will direct the metabolism of a part of the microorganisms carrying out the purification, towards a particular functioning and which will limit thus the production of organic sludge.
  • the support elements for microorganisms preferably have a dimension of between 2 mm and 50 mm and the material constituting said support elements is a plastic material, obtained for example from recycled material, for example polyethylene.
  • the material constituting said support elements is a plastic material, obtained for example from recycled material, for example polyethylene.
  • the method according to the invention is characterized in that the setting in motion of the supports of microorganisms is obtained by an injection of air or an inert gas added with oxygen, the amount of said gas being determined so as to ensure biological purification on the one hand and on the other hand to obtain the necessary turbulence intensity.
  • the setting in motion of the supports of microorganisms is ensured by the fermentation gas or by a mechanical agitation system.
  • the process which is the subject of the invention may be implemented on one or both of said stages, preferably on the aerobic stage in order to immobilize the micro-organisms oxidizing ammoniacal nitrogen.
  • FIG. 1 is a diagram showing the experimental device used for highlighting the reduction in sludge production obtained thanks to the invention
  • Figures 3a and 3b are curves representing the cumulative amount of sludge produced as a function of the cumulative amount of COD eliminated in each of the two lines of experimental reactors used ( Figure 1) and for two different sludge ages;
  • FIG. 4 is a schematic view showing the retention means used in the reactor according to the invention.
  • FIG. 5 is a view, on an enlarged scale, of a detail of FIG. 4 and Figures 6, 7a, 7b and 8 schematically show examples of support materials for microorganisms which can be used in the process according to the invention.
  • two lines of reactors of the activated sludge type are strictly identical, each line being produced. being supplied with the same waste water and operating under the same operating conditions.
  • One line constituted the witness (it is designated hereinafter by “Witness line”) and it does not contain any floating biomass support material, the other line
  • Test line containing a floating growth support material for biomass, according to the invention.
  • FIG. 1 therefore represents each of the experimental lines.
  • Each line includes a biological reactor 8, a decanter 10, a pH and temperature probe 3 and an oxygen probe 2.
  • the reactor 8 is supplied by a pump 5 from a storage tank 4 for urban waste water having undergone primary decantation.
  • the reactor is removed via an overflow from a liquid / solid separator 9, to a decanter 10.
  • the decanted water leaves the installation while part of the sludge is recycled to the biological reactor 8 using a recirculation pump 6.
  • the excess sludge is eliminated by means of a purge 11.
  • Each line has a computer 1 allowing the analysis of the results obtained.
  • the biological reactor 8 is stirred by a mechanical stirrer 7 as well as by aeration when the latter is operating.
  • Control line the equilibrium biomass is lower for the Test line.
  • the two lines operated with a continuous supply of wastewater and at a rate allowing an average applied load of 1 kg of COD per cubic meter of reactor and per day to be obtained.
  • the biological reactor 8 worked sometimes with aeration and agitation, sometimes with agitation only. This procedure makes it possible to alternate the aerobic phases ensuring the nitrification of the species containing ammonia (designated by N-NH 4 in Table II) present in the waste water (that is to say their transformation into species oxidized such as nitrites or nitrates), and the anoxic phases allowing denitrification (that is to say the transformation of oxidized species into molecular nitrogen).
  • This operating mode makes it possible to carry out, in the same reactor, all of the steps for eliminating nitrogen pollution.
  • the dissolved oxygen concentration is maintained above 3 mg / 1.
  • a certain amount of organic carbon taken from an external carbon source 12 is added to the reactor 8, in order to reduce the time necessary for the denitrification step.
  • the age of the sludge (that is to say the ratio between the total quantity of biological sludge contained in the experimental device, including decanter, over the quantity of biological sludge extracted) varies between three and eight days.
  • This parameter is adjusted by the purge flow 11 of the biological sludge.
  • the measurements carried out relate to all of the parameters which make it possible to characterize the balance sheets of the pollution which enters and leaves the system: Chemical Demand for Total and Soluble Oxygen, ammoniacal nitrogen N-NH 4 , nitrites and nitrates.
  • the quantity of sludge is quantified from suspended matter (MES) and volatile suspended matter (MVS).
  • the sludge production is calculated as the sum of sludge extracted by the purge, the quantity of sludge leaving in the decanted effluent and the accumulation of sludge in the biological reactor (in free form or in fixed form).
  • FIGS. 2a and 2c illustrate the variation of the charge eliminated as a function of the charge applied.
  • FIGS. 3a and 3b represent the cumulative amount of sludge produced as a function of the cumulative amount of COD eliminated, in each of the two lines (Test line and Control line) and for two different sludge ages.
  • the curves illustrated by these figures demonstrate that the quantity of sludge produced, expressed from the quantity of volatile matter in suspension, is lower in the Test line than in the Control line.
  • the slope of each of the curves represents the apparent yield of biomass, which makes it possible to compare the results thus obtained. It will be observed that, for a sludge age of eight days, the biomass yield obtained in the control line is 0.4 kg MVS / kg COD, while it is 0.24 kg MVS / kg COD in the line Test.
  • the fixed microorganisms as well as the bacterial flocs present in the culture medium of the biological reactor of the Test line undergo mechanical work linked to agitation and abrasion between the granular materials, due to collisions between the particles. It is known that the fixed microorganisms are structured into biofilms and the cohesion of this biofilm is ensured by exopolymers synthesized by bacteria. Significant mechanical stresses contribute to the destruction of this structure; the maintenance of a biological activity on the material therefore requires a continuous synthesis of exopolymers by bacteria. As a result, the synthesis of these polymers becomes a more important metabolic pathway than the production of sludge.
  • this retention device which is placed in front of the chute 17 of the outlet of the reactor 13 of the treated effluent, essentially comprises a grid 15 inclined relative to the vertical at an angle preferably between 0 and 30 °.
  • the spacing of the bars of the grid is determined so as to let the water pass but not the supports of the microorganisms. The spacing of these bars is therefore less than the smallest support dimension used for the immobilization of microorganisms.
  • a deflector panel 16 is arranged parallel to the grid, upstream of the latter in the reactor 13. At the base of the grid 15, an air blowing ramp 14 is provided making it possible to sweep the grid continuously or intermittently .
  • the combined effect of this deflector panel 16 and of the sweeping thus produced makes it possible to channel an upward flow of liquid by “gazosiphon” (or “air-lift”) effect which also entails the particles of materials supporting the growth of microorganisms 18 (FIG. 5).
  • the flow thus created has a double advantage:
  • the particles of support material contribute to the cleaning of the grid 15 and, on the other hand, the significant mechanical stresses exerted on the surface of the particles of support material in this zone improve the reduction effect of production of sludge observed experimentally as mentioned above.
  • the treated liquid effluent leaving the biological reactor passing through the grid 15 is then evacuated by overflow by means of a weir towards the chute 17.
  • Example 1 Granular material.
  • the support elements for microorganisms consist of granular particles which can be obtained from the recycling of plastics as described for example in FR-A-2 612 085.
  • FIG. 6 of the appended drawings illustrates an example of such particles which appear under the form of granules having a very irregular shape with hollows 20 protected from abrasion and projecting parts 19 which promote abrasion.
  • the dimension of these granules is between 2 and 5 mm and their developed surface can be between 5,000 and 20,000 m 2 / m 3 .
  • Example 2 Extruded plastic material.
  • the support elements for microorganisms are made of plastic materials, extruded and cut.
  • Figures 7a and 7b of the accompanying drawings there is shown in end views and in side elevation, respectively, an embodiment of such an element.
  • This element is cylindrical in shape and it has fins 21, 22, formed respectively on its external and internal surfaces.
  • the external fins 21 make it possible to carry out the abrasion and the internal fins 22 ensure an improvement in the surface available for the colonization of the biomass.
  • the dimension of these support elements can be between 5 and 25 mm and their total developed surface can be between 100 and 1500 m 2 / m 3 .
  • Example 3 Plastic material injected or molded. It is known that there are many types of packing elements for columns having the characteristics required to advantageously take advantage of the present invention.
  • Figure 8 of the accompanying drawings there are shown, in perspective, three embodiments of elements of this type. They are generally referred to as rings. Their dimension can be between 10 and 50 mm and their surface developed between 100 and 1000 m 2 / m 3 .
  • the abrasive surfaces can be the edges of the cylinders 24 as well as the recessed parts 23.

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Abstract

Procédé d'épuration biologique des eaux résiduaires en cultures mixtes mettant en oeuvre des micro-organismes dont une partie au moins est fixée sur des supports solides, caractérisé en ce que lesdits supports sont mis en mouvement de façon à engendrer une turbulence dans le milieu réactionnel, dont l'intensité est telle qu'elle assure une réduction de la production de boues biologiques, les matériaux constituant lesdits supports de micro-organismes étant soumis à une abrasion et à un nettoyage, tout en étant retenus dans ledit milieu réactionnel.

Description

PROCEDE D ' EPURATION BIOLOGIQUE DES EAUX RESIDUAIRES UTILISANT DES PARTICULES SUPPORT DE BIOFILM
La présente invention est relative à un procédé d'épuration biologique des eaux usées mettant en œuvre un système de cultures mixtes utilisant des particules support 0 de biofilm. Elle vise également un équipement ou réacteur pour la mise en œuvre d'un tel procédé.
On sait que l'épuration des eaux usées, urbaines et industrielles, est souvent réalisée par voie biologique. Au cours des dernières décennies, on est passé des procédés 5 utilisant des cultures libres de micro-organismes à des procédés à cultures fixées sur des supports de croissance spécifiques, dans le but de réduire la dimension des installations .
La mise en œuvre des cultures fixées est réalisée, 0 soit en lit fixé, c'est-à-dire que le support de croissance des micro-organismes est immobile dans le réacteur, soit en lit mobile, auquel cas les matériaux support sont des éléments de petite taille pouvant se déplacer librement dans la zone de contact avec l'eau polluée. La mise en 5 mouvement de ces éléments support peut être réalisée, soit par une agitation mécanique, soit par une injection de liquide, soit encore par une injection de gaz, notamment d'air (cet air pouvant être par exemple l'air nécessaire au fonctionnement des micro-organismes lorsque ceux-ci sont 0 aérobies) .
La création et l'entretien d'un certain niveau de turbulence dans le milieu réactionnel sont utiles pour maintenir une abrasion et un nettoyage en continu du matériau support 'des micro-organismes, cette turbulence 5 permettant en outre de limiter l'accumulation de boues biologiques fixées. Une telle turbulence peut être créée par exemple par l'intensité du gaz injecté dans le milieu. On peut se référer à cet égard à EP-A-0 549 443.
Dans le cas où l'on souhaite traiter simultanément la pollution due au carbone et à l'azote, il est possible de trouver des solutions avantageuses étant donné que les matériaux servent de support à la croissance d'une certaine biomasse nitrifiante, dont le développement est bien supérieur à celui que l'on aurait en l'absence de ces matériaux (voir EP-A-0 549 443) : c'est ce qu'on appelle des cultures mixtes .
Ces systèmes connus présentent toutefois un certain nombre d'inconvénients. Ainsi, dans le procédé décrit ci- dessus, la production de boues biologiques est liée au métabolisme normal de croissance des bactéries réalisant la dépollution de l'eau. En outre, les matériaux support de croissance utilisés sont maintenus dans l'enceinte de réaction, soit par une grille de rétention (qui laisse passer l'eau, mais pas le matériau support), soit au moyen d'un système spécifique de séparation. L'inconvénient majeur des grilles est leur colmatage.
Partant de ces systèmes connus, la présente invention s'est fixé comme objectif de résoudre le double problème technique ci-après :
- éviter le colmatage des grilles de rétention positionnées à la sortie de l'eau traitée ;
- réduire la quantité de boues produites, par comparaison avec la quantité de boues produites par les procédés classiques réalisant la même épuration biologique.
Ces problèmes techniques sont résolus par un procédé d'épuration biologique des eaux residuaires en cultures mixtes, mettant en œuvre des micro-organismes dont une partie au moins est fixée sur des supports solides, caractérisé en ce que lesdits supports sont mis en mouvement de façon à engendrer une turbulence dans • le milieu réactionnel, dont l'intensité est telle qu'elle assure une réduction de la production de boues biologiques, les matériaux constituant lesdits supports de microorganismes étant soumis à une abrasion et à un nettoyage tout en étant retenus dans ledit milieu réactionnel, lesdits matériaux présentant une texture de surface qui comporte des zones protégées de l'abrasion permettant la croissance d'une biomasse assurant l'activité biologique et des zones abrasives.
Le niveau de turbulence souhaitable afin d'obtenir les meilleurs résultats dans la mise en œuvre du procédé selon l'invention, tel que défini ci-dessus, peut être exprimé par l'énergie qui est fournie par les moyens d'aération et/ou de brassage. De préférence, cette énergie est comprise entre 1 et 200 Watts par mètre cube de réacteur et, de préférence, entre 2 et 50 Watts par mètre cube de réacteur. De tels niveaux d'énergie par mètre cube peuvent être économiquement viables, compte tenu du caractère compact des réacteurs mis en œuvre dans le procédé objet de l'invention et définis ci-après.
Selon un exemple préféré de mise en œuvre du procédé défini ci-dessus, le matériau support de micro-organismes présente une dimension, selon n'importe quel axe, qui est comprise entre 2 et 50 mm.
Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, le matériau support de micro-organismes présente une texture de surface telle qu'elle comporte des zones protégées de l'abrasion, permettant la croissance d'une biomasse assurant l'activité biologique, ainsi que des zones abrasives permettant, en présence d'un niveau de turbulence suffisant (tel que défini ci-dessus) d'exercer des frictions sur les surfaces externes des autres particules qui sont présentes dans le milieu réactionnel.
La présente invention vise également un réacteur biologique pour la mise en œuvre du procédé défini ci- dessus, ce réacteur étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de retenue des supports de micro-organismes, ces moyens étant positionnés en amont des moyens d'évacuation de l'effluent liquide sortant, après traitement, dudit réacteur, ces moyens de retenue comprenant :
- une grille inclinée par rapport à la verticale selon un angle compris entre 0 et 30° environ, et dont l' écartement des barreaux est déterminé de façon qu'elle laisse passer l'eau mais non les supports de micro-organismes ;
- une rampe d'amenée d'air, positionnée à la base de ladite grille et fonctionnant en continu ou par intermittence afin d'assurer un balayage de la grille et - un panneau déflecteur, parallèle à ladite grille et situé en amont de cette dernière.
Dans ce qui précède, le qualificatif « en amont » sous-entend par rapport au sens de l'écoulement de l'effluent, de son entrée dans le réacteur vers son évacuation de ce dernier.
Ainsi, grâce à l'invention, la caractéristique qui consiste à mettre en mouvement les supports des microorganismes, par exemple par injection d'un gaz ou par agitation mécanique ou bien encore par une combinaison de ces deux moyens, combinée à la caractéristique selon
• laquelle on retient, dans le milieu réactionnel, le matériau constituant les supports de micro-organismes, tout en le soumettant à une abrasion et à un nettoyage, permet d'une part de réduire le colmatage des grilles retenant le matériau support et d'autre part de réduire la quantité de boues biologiques d'épuration normalement générée par rapport à un procédé réalisant la même épuration, cette réduction étant de l'ordre de 2 à 50%.
En effet, le fait que le réacteur biologique dans lequel est mis en œuvre le procédé objet de l'invention, comporte une grille inclinée munie d'un déflecteur et d'une rampe d'amenée d'air balayant la surface de la grille, assure un colmatage moins rapide de la grille que celui observé dans les enceintes de réacteurs selon l'état antérieur de la technique. On a observé que le passage des matériaux support au voisinage de la grille, à une vitesse accélérée en raison de la présence du déflecteur, contribue à détacher les matières solides susceptibles de se déposer sur ladite grille, permettant ainsi de réduire la vitesse de colmatage . On a également observé, et ceci de façon surprenante, qu'une certaine intensité turbulente dans le milieu réactionnel permettait de réduire la production de boues biologiques. Ce phénomène peut être expliqué par le fait que la turbulence régnant dans le milieu engendre des frictions telles que les micro-organismes fixés sous forme de biofilm adoptent un métabolisme particulier. En effet, l'intensité d'abrasion très importante oblige certains micro-organismes à synthétiser des substances permettant de renforcer la tenue mécanique du biofilm. Lorsque l'intensité de l'abrasion est suffisamment importante pour qu'une grande partie des micro-organismes adopte ce fonctionnement métabolique particulier, le rendement de croissance (qui est généralement défini comme étant la quantité de cellules produite par rapport à la quantité de matière polluante dégradée) diminue de manière importante. Il en résulte une nette diminution de la quantité de boues produites par rapport à un fonctionnement en l'absence de turbulence .
Selon la présente invention, le matériau support des micro-organismes doit présenter une surface importante par rapport au volume qu'il occupe et, préférentiellement , une partie de cette surface doit être protégée de la turbulence et des collisions, ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus. Ainsi, selon l'invention, la surface du matériau support est supérieure à 100 m2 par mètre cube de matériau et l'on prévoit des excroissances abrasives sur la surface externe dudit matériau. Grâce à cette dernière caractéristique, on définit des zones internes qui pourront être colonisées par des micro-organismes en quantité suffisante pour réaliser l'épuration biologique désirée. La surface externe abrasive pourra être colonisée par des micro-organismes sous forme de biofilm, mais l'intensité de l'agitation et de la turbulence sera telle que ce biofilm sera en perpétuelle reconstitution, ce qui orientera le métabolisme d'une partie des micro-organismes réalisant l'épuration, vers un fonctionnement particulier et qui limitera ainsi la production de boues biologiques .
Selon l'invention, les éléments support de microorganismes présentent de préférence une dimension comprise entre 2 mm et 50 mm et le matériau constituant lesdits éléments support est une matière plastique, obtenue par exemple à partir de matériau recyclé, par exemple du polyéthylène . On décrira ci-après, plus en détail, des exemples de supports de micro-organismes pouvant être mis en œuvre dans le procédé objet de la présente invention. Le procédé objet de la présente invention peut être mis en œuvre dans des modes de traitement biologique réalisés par voie aérobie, anaérobie ou anoxique ou dans des systèmes de traitement fonctionnant selon une combinaison de ces trois voies. Dans son application à l'épuration aérobie, le procédé selon l'invention se caractérise par le fait que la mise en mouvement des supports de micro-organismes est obtenue par une injection d'air ou d'un gaz inerte additionné d'oxygène, la quantité dudit gaz étant déterminée de façon d'une part à assurer l'épuration biologique et d'autre part à obtenir l'intensité de turbulence nécessaire.
Dans le cas d'une application à l'épuration anaérobie ou à l'épuration anoxique, la mise en mouvement des supports de micro-organismes est assurée par le gaz de fermentation ou par un système d'agitation mécanique.
Dans son application au traitement combiné du carbone et de l'azote impliquant deux étapes, une étape d'anoxie et une étape aérobie, avec un recyclage des boues mixtes depuis l'étape aérobie vers l'étape d'anoxie, le procédé objet de l'invention pourra être mis en œuvre sur l'une ou les deux desdites étapes, de préférence sur l'étape aérobie afin d'immobiliser les micro-organismes oxydant l'azote ammoniacal. On peut également mettre en œuvre, dans le même bassin, les étapes d'anoxie et aérobie, le bassin étant alors aéré par intermittence, le brassage pendant la phase d'anoxie étant réalisé par un autre moyen notamment mécanique .
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif.
Afin de faire ressortir l'avantage apporté par l'invention en ce qui concerne la réduction de la production des boues, on a utilisé un dispositif expérimental décrit ci-après et dont les résultats seront ensuite commentés . On décrira ensuite les moyens de rétention des matériaux support de micro-organismes mis en œuvre dans le réacteur objet de l'invention.
Sur les figures :
- la figure 1 est un schéma représentant le dispositif expérimental utilisé pour la mise en évidence de la réduction de production des boues obtenue grâce à l'invention ;
- les figures 2a à 2c sont des courbes qui font ressortir les résultats apportés par l'invention en ce qui concerne l'élimination de la DCO .
- les figures 3a et 3b sont des courbes représentant la quantité cumulée de boues produites en fonction de la quantité cumulée de DCO éliminée dans chacune des deux lignes de réacteurs expérimentaux utilisés (figure 1) et pour deux âges de boues différents ;
- la figure 4 est une vue schématique représentant les moyens de rétention mis en œuvre dans le réacteur selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue, à échelle agrandie, d'un détail de la figure 4 et les figures 6, 7a, 7b et 8 représentent de façon schématique des exemples de matériaux supports de microorganismes qui peuvent être mis en œuvre dans le procédé selon l'invention. Ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, afin de mettre en évidence la réduction de production de boues biologiques apportée par le procédé objet de l'invention, on a réalisé deux lignes de réacteurs de type boues activées strictement identiques, chaque réacteur étant alimenté avec la même eau résiduaire et fonctionnant dans les mêmes conditions opératoires. Une ligne a constitué le témoin (elle est désignée ci-après par « ligne Témoin ») et elle ne contient pas de matériau flottant support de biomasse, l'autre ligne
(appelée ci-après « ligne Test ») contenant un matériau flottant support de croissance pour la biomasse, selon 1 ' invention.
La figure 1 représente donc chacune des lignes expérimentales. Chaque ligne comporte un réacteur biologique 8, un décanteur 10, une sonde de pH et de température 3 et une sonde à oxygène 2. Le réacteur 8 est alimenté par une pompe 5 à partir d'un bac de stockage 4 d'eaux residuaires urbaines ayant subi une décantation primaire. La sortie du réacteur se fait par l'intermédiaire d'un trop-plein à partir d'un séparateur liquide/solide 9, vers un décanteur 10. L'eau décantée sort de l'installation alors qu'une partie des boues est recyclée vers le réacteur biologique 8 à l'aide d'une pompe de recirculation 6. Les boues en excès sont éliminées au moyen d'une purge 11. Chaque ligne comporte un ordinateur 1 permettant l'analyse des résultats obtenus. L'agitation du réacteur biologique 8 est assurée par un agitateur mécanique 7 ainsi que par une aération lorsque cette dernière fonctionne.
En ce qui concerne le matériau support de biomasse, on pourra se reporter à la fin de la présente description, laquelle en donne quelques exemples, à titre non limitatif. La ligne Test fonctionne selon le principe décrit ci- dessus .
Dans le tableau I ci-après, on a indiqué les caractéristiques principales de ces deux lignes de réacteurs .
TABLEAU I
Figure imgf000011_0001
Dans le Tableau II ci-après, on a précisé les conditions opératoires des lignes Témoin et Test
TABLEAU II
Figure imgf000012_0001
* Ligne Témoin : la biomasse à l'équilibre est plus faible pour la ligne Test. Les deux lignes ont fonctionné avec une alimentation continue en eaux residuaires et selon un débit permettant d'obtenir une charge appliquée moyenne de 1 kg de DCO par mètre cube de réacteur et par jour. Le réacteur biologique 8 a fonctionné tantôt avec l'aération et l'agitation, tantôt avec l'agitation seulement. Ce mode opératoire permet d'alterner les phases aérobies assurant la nitrification des espèces contenant de l'ammoniaque (désigné par N- NH4 dans le Tableau II) présentes dans l'eau résiduaire (c'est-à-dire leur transformation en espèces oxydées comme les nitrites ou les nitrates) , et les phases anoxiques permettant la dénitrification (c'est-à-dire la transformation des espèces oxydées en azote moléculaire) . Ce mode de fonctionnement permet de réaliser, dans le même réacteur, l'ensemble des étapes de l'élimination de la pollution azotée .
Durant les phases aérobies, la concentration en oxygène dissous est maintenue supérieure à 3 mg/1. Durant les phases anoxiques, on rajoute dans le réacteur 8 une certaine quantité de carbone organique prélevée à partir d'une source 12 de carbone externe, afin de réduire le temps nécessaire à l'étape de dénitrification.
Lors de l'expérience, l'âge des boues (c'est-à-dire le rapport entre la quantité de boues biologiques totale contenue dans le dispositif expérimental, décanteur inclus, sur la quantité de boues biologiques extraites) varie entre trois et huit jours. Ce paramètre est ajusté par le débit de purge 11 des boues biologiques . Les mesures effectuées concernent l'ensemble des paramètres qui permettent de caractériser les bilans de la pollution qui entre et qui sort du dispositif : Demande Chimique en Oxygène Totale et Soluble, Azote ammoniacal N-NH4 , nitrites et nitrates. La quantité de boues est quantifiée à partir des matières en suspension (MES) et des matières volatiles en suspension (MVS) . La production de boues est calculée comme étant la somme de boues extraites par la purge, de la quantité de boues sortant dans l'effluent décanté et de l'accumulation de boues dans le réacteur biologique (sous forme libre ou sous forme fixée) .
On a également calculé un rendement en biomasse apparent Yobs, c'est-à-dire le rapport entre la quantité de boues produites et la quantité de DCO éliminée par le système . Les résultats obtenus sont illustrés par les figures 2a et 2c qui illustrent la variation de la charge éliminée en fonction de la charge appliquée. Ces figures montrent qu'il n'existe pas de différences importantes en ce qui concerne les quantités de DCO éliminées, entre la ligne Témoin et la ligne Test.
On se réfère maintenant aux figures 3a et 3b qui représentent la quantité cumulée de boues produites en fonction de la quantité cumulée de DCO éliminée, dans chacune des deux lignes (ligne Test et ligne Témoin) et pour deux âges de boues différents. Les courbes illustrées par ces figures démontrent que la quantité de boues produites exprimée à partir de la quantité de matières volatiles en suspension, est plus faible dans la ligne Test que dans la ligne Témoin. La pente de chacune des courbes représente le rendement apparent en biomasse, ce qui permet de comparer les résultats ainsi obtenus. On observera que, pour un âge de boues de huit jours, le rendement en biomasse obtenu dans la ligne Témoin est de 0,4 kg MVS/kg DCO, tandis qu'il est de 0,24 kg MVS/kg DCO dans la ligne Test. La diminution observée est sensible (de l'ordre de 40%) . Pour un âge de boues de trois jours, le rendement apparent est de 0,44 pour la ligne Témoin et de 0,32 pour la ligne Test, soit une diminution de 27%. On rappellera que la seule différence entre les deux lignes de réacteurs est la présence de matériau support de croissance dans la ligne Test, avec un taux de remplissage volumique de 20%. Bien qu'au stade actuel des expérimentations, les résultats surprenants obtenus par la mise en œuvre du procédé de l'invention ne peuvent pas faire l'objet d'une théorie complète, on peut toutefois apporter plusieurs explications.
En premier lieu, on notera que les différences observées entre les résultats obtenus sur les lignes Témoin et Test sont clairement liés à un métabolisme différent des micro-organismes lorsqu'ils sont fixés sur leur support et mis en mouvement par agitation mécanique et/ou aération.
- Il est clair que les bactéries fixées ont un temps de séjour dans le réacteur beaucoup plus élevé que les bactéries libres. Par conséquent, la mortalité cellulaire est plus importante, ce qui conduit à une plus faible production de boues. Toutefois, ce facteur ne peut pas à lui-même justifier une baisse de 27 à 40% de la production de boues telle qu'on l'a constatée ci-dessus.
- Les micro-organismes fixés ainsi que les flocs bactériens présents dans le milieu de .culture du réacteur biologique de la ligne Test subissent un travail mécanique lié à l'agitation et à l'abrasion entre les matériaux granulaires, en raison des collisions entre les particules. Il est connu que les micro-organismes fixés sont structurés en biofilm et la cohésion de ce biofilm est assurée par des exopolymeres synthétisés par les bactéries. Des contraintes mécaniques importantes contribuent à la destruction de cette structure ; le maintien d'une activité biologique sur le matériau nécessite donc une synthèse continue d' exopolymeres par les bactéries. Il en résulte que la synthèse de ces polymères devient une voie métabolique plus importante que la production de boues . Ces exopolymeres étant soit partiellement biodégradables, soit solubles, se retrouvent dans le mécanisme d'abrasion dans l'effluent liquide. Une diminution accrue de la réduction de production de boues pour un âge de boues élevées comme le montrent les figures 3a et 3b peut corroborer cette seconde hypothèse, dans la mesure où la durée de la contrainte mécanique exercée sur la biomasse est plus élevée.
On a vu ci-dessus que la mise en œuvre de matériaux support pour la croissance des micro-organismes nécessitait des moyens particuliers pour retenir ces matériaux dans l'enceinte du réacteur biologique. On se réfère maintenant aux figures 4 et 5 qui illustrent un exemple de réalisation des moyens de rétention ainsi mis en œuvre. Sur ces figures, on voit que ce dispositif de rétention, qui est placé devant la goulotte 17 de la sortie du réacteur 13 de l'effluent traité, comprend essentiellement une grille 15 inclinée par rapport à la verticale selon un angle compris de préférence entre 0 et 30°. L'écartement des barreaux de la grille est déterminé de façon à laisser passer l'eau mais non les supports des micro-organismes. L'espacement de ces barreaux est donc inférieur à la plus petite dimension de support utilisée pour l'immobilisation des micro-organismes. Un panneau déflecteur 16 est disposé parallèlement à la grille, en amont de cette dernière dans le réacteur 13. A la base de la grille 15, on prévoit une rampe d'insufflation d'air 14 permettant de balayer la grille en continu ou par intermittence. L'effet combiné de ce panneau déflecteur 16 et du balayage ainsi réalisé permet de canaliser un flux de liquide ascendant par effet « gazosiphon » (ou « air-lift ») qui entraîne également les particules de matériaux support de croissance des microorganismes 18 (figure 5) . Le flux ainsi créé présente un double avantage :
- d'une part les particules de matériau support contribuent au nettoyage de la grille 15 et d'autre part les contraintes mécaniques importantes exercées sur la surface des particules de matériau support dans cette zone améliorent l'effet de réduction de production de boues observé expérimentalement ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus.
L'effluent liquide traité sortant du réacteur biologique en passant à travers la grille 15 est ensuite évacué par trop plein au moyen d'un déversoir vers la goulotte 17.
En ce qui concerne les éléments support de microorganismes, on peut utiliser selon la présente invention, tout matériau existant disponible dans le commerce ou pouvant être fabriqué conformément aux caractéristiques spécifiées ci-dessus. Ce matériau doit donc présenter les caractéristiques suivantes :
- une dimension, prise selon n'importe quel axe, comprise entre 2 et 50 mm ; - une texture de surface particulière, à savoir la présence de zones protégées de l'abrasion (qui permettent la croissance d'une biomasse assurant l'activité biologique), ainsi que de zones abrasives, qui permettent, en présence du niveau de turbulence suffisant tel que défini ci-dessus, d' exercer des frottements sur la surface externe des autres particules présentes dans le milieu réactionnel.
Ainsi, en tenant compte des caractéristiques spécifiées ci-dessus, l'Homme de l'art sera à même de sélectionner les types de matériaux appropriés à la mise en œuvre devant être effectuée. On a donné ci-après quelques exemples, non limitatifs, de matériaux pouvant ainsi être utilisés .
Exemple 1 : Matériau granulaire.
Les éléments support de micro-organismes sont constitués de particules granulaires pouvant être issus du recyclage des matières plastiques comme décrit par exemple dans FR-A-2 612 085. La figure 6 des dessins annexés illustre un exemple de telles particules qui se présentent sous la forme de granules ayant une forme très irrégulière avec des creux 20 protégés de l'abrasion et des parties en saillie 19 qui favorisent l'abrasion. La dimension de ces granules est comprise entre 2 et 5 mm et leur surface développée peut être comprise entre 5000 et 20000 m2 /m3.
Exemple 2 : Matériau en plastique extrudé .
Dans ce cas, les éléments support de micro-organismes sont constitués de matériaux en matière plastique, extrudés et coupés. Sur les figures 7a et 7b des dessins annexés, on a représenté en des vues en bout et en élévation latérale, respectivement, un exemple de réalisation d'un tel élément.
Cet élément est de forme cylindrique et il comporte des ailettes 21, 22, ménagées respectivement sur ses surfaces externe et interne. Les ailettes externes 21 permettent d'effectuer l'abrasion et les ailettes internes 22 assurent une amélioration de la surface disponible pour la colonisation de la biomasse. La dimension de ces éléments de support peut être comprise entre 5 et 25 mm et leur surface totale développée peut être comprise entre 100 et 1500 m2/m3.
Exemple 3 : Matériau en plastique injecté ou moulé. On sait qu'il existe dans le commerce de nombreux types d'éléments de garnissage pour colonnes ayant les caractéristiques requises pour tirer partie, de manière avantageuse, de la présente invention. Sur la figure 8 des dessins annexés, on a représenté, en perspective, trois exemples de réalisation d'éléments de ce type. Ils sont généralement désignés sous l'appellation d'anneaux. Leur dimension peut être comprise entre 10 et 50 mm et leur surface développée entre 100 et 1000 m2/ m3. Sur les anneaux illustrés sur la figure 8, les surfaces abrasives peuvent être les bords des cylindres 24 ainsi que les parties évidées 23.
On notera qu'avec ce type de matériau, qui se caractérise notamment par une dimension plus importante que les précédents, l'abrasion est également réalisée par l'écoulement liquide dans les zones internes. Les anneaux comportent des ailettes internes 25 permettant la colonisation par les micro-organismes . Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes .

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé d'épuration biologique des eaux residuaires en cultures mixtes mettant en œuvre des micro- organismes dont une partie au moins est fixée sur des
' supports solides, caractérisé en ce que lesdits support sont mis en mouvement de façon à engendrer une turbulence dans le milieu réactionnel, dont l'intensité est telle qu'elle assure une réduction de la production de boues biologiques, les matériaux constituant lesdits supports de micro-organismes étant soumis à une abrasion et à un nettoyage, tout en étant retenus dans ledit milieu réactionnel, ces matériaux présentant une texture de surface qui comporte des zones protégées de l'abrasion permettant la croissance d'une biomasse assurant l'activité biologique et des zones abrasives.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intensité de turbulence engendrée dans le milieu réactionnel, définie par l'énergie fournie par les moyens d'aération et/ou de brassage dudit milieu est comprise entre 1 et 200 Watts par mètre cube de réacteur et, de préférence, entre 2 et 50 Watts par m3 de réacteur.
3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisé en ce que la réduction de la production de boues biologiques d'épuration est de l'ordre de 2 à 50% par rapport à la production de boues obtenue dans des procédés classiques réalisant la même épuration biologique.
4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du matériau constituant lesdits supports solides de micro-organismes est supérieure à 100 m2 par mètre cube de matériau.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les éléments support de micro-organismes présentent une dimension comprise entre 2 mm et 50 mm. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que le matériau constituant lesdits supports des micro-organismes est une matière plastique . 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 4 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant lesdits supports de micro-organismes est un matériau granulaire présentant des parties en creux (20) protégées de l'abrasion et des parties en saillie (19) favorisant l'abrasion.
8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 4 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant lesdits supports de micro-organismes est constitué d'éléments en matière plastique extrudés et coupés, notamment de forme cylindrique et munis d'ailettes externes (21) favorisant l'abrasion et interne (22) pour la colonisation de la biomasse.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 4 à 6, caractérisé en ce que le matériau constituant lesdits supports de micro-organismes est constitué d'éléments de garnissage en matière plastique injectés ou moulés, présentant notamment la forme d'anneaux cylindriques dont les bords (24) et des parties évidées
(23) favorisent l'abrasion, ces anneaux comportant des ailettes internes (25) permettant la colonisation par la biomasse .
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes appliqué à l'épuration aérobie, caractérisé en ce que la mise en mouvement des supports des micro- organismes est obtenue par l'injection d'air ou d'un gaz inerte additionné d'oxygène, la quantité dudit gaz étant déterminée de façon d'une part à assurer -l'épuration biologique et d'autre part à obtenir l'intensité de turbulence nécessaire. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 appliqué à l'épuration anaérobie ou à l'épuration anoxique, caractérisé en ce que la mise en mouvement des supports de micro-organismes est assurée par l'injection du gaz de fermentation.
12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 appliqué à l'épuration anaérobie ou à l'épuration anoxique, caractérisé en ce que la mise en mouvement des supports de micro-organismes est obtenue par agitation mécanique du milieu réactionnel.
13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 appliqué au traitement combiné du carbone et de l'azote, selon lequel il est mis en œuvre en deux étapes, une étape d'anoxie et une étape aérobie, avec recyclage des boues mixtes depuis l'étape aérobie vers l'étape d'anoxie, caractérisé en ce qu'il est appliqué sur l'une au moins desdites étapes .
14 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il est appliqué sur l'étape aérobie afin d'immobiliser les micro-organismes oxydant l'azote ammoniacal . 15 - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les étapes d'anoxie et aérobie sont mises en œuvre dans le même bassin, ce dernier étant aéré par intermittence et le brassage pendant la phase anoxique étant assuré par un autre moyen, tel que notamment une agitation mécanique.
16 - Réacteur biologique pour la mise . en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de retenue des supports de micro-organismes positionnés en amont des moyens d'évacuation de l'effluent liquide sortant du réacteur (13) et comprenant :
- une grille (15) inclinée par rapport à la verticale selon un angle (α) compris entre 0 et 30° et dont l'écartement des barreaux est déterminé de façon qu'elle laisse passer l'eau mais non les supports de micro-organismes ; - une rampe d'amenée d'air (14), positionnée à la base de ladite grille et fonctionnant en continu ou par intermittence afin d'assurer un balayage de la grille et
- un panneau déflecteur (16) , parallèle à ladite grille (15) et situé en amont de cette dernière.
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