Nutrients : proportions optimales pour le traitement des eaux

RAPPORT D’APPLICATION
ANALYSE DE LABORATOIRE & ANALYSE EN CONTINU
TRAITEMENT DES EAUX USÉES
ÉLÉMENTS NUTRITIFS
Nutrients : proportions optimales
pour le traitement des eaux
Les exploitants des stations d’épuration sont tenus de contrôler soigneusement
le processus d’épuration afin d’anticiper tout ¾ risque de dépassement
des seuils, de manière à respecter la législation relative aux eaux usées traitées. Ce traitement implique, outre les procédés physico-chimiques, une ¾
purification biologique par les ¾ microorganismes présents dans les
boues activées. Il est donc fondamental de connaître la composition des boues
activées ainsi que les ¾ besoins en éléments nutritifs afin d’optimiser
les performances d’épuration. Le présent rapport a trait aux causes, aux
conséquences et aux mesures correctives à effectuer, lorsque les ¾ proportions en éléments nutritifs sont défavorables.
Auteur :
Ingénieur diplômé Michael
Winkler
- Chef de projet Développement
Produits et Assistance Clientèle
- BIOSERVE GmbH, Mayence
(Allemagne)
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ÉLÉMENTS NUTRITIFS_BOUES ACTIVÉES
Eléments nutritifs dans les boues
activées
Les principaux éléments nutritifs nécessaires sont le carbone, l’azote et le
phosphore. Une proportion équilibrée de
ceux-ci est primordiale pour que les
microorganismes puissent effectuer une
décomposition optimale.
Les analyses en laboratoire et les
techniques de mesure de process
contribuent au respect des seuils.
Carbone
Le carbone est le composant principal
de la matière organique contenue dans
les eaux usées. Il est décomposé par
les microorganismes présents dans les
boues activées, dans des conditions
anaérobies (Bio-P), dans le milieu anoxique
(zone de dénitrification) et dans la zone
d’aération de la phase de purification
biologique (zone de nitrification). Les microorganismes ont besoin de composés
carbonés pour leurs apports énergétiques
et la constitution de leurs propres structures cellulaires.
¾ Les composés carbonés sont déterminés via la DCO, la DBO5 et le COT.
Le poste d’analyse, pour le terrain
ou le laboratoire, se compose d’un
spectrophotomètre, de réactifs et
le cas échéant, d’un thermostat.
Azote
Dans la zone d’arrivée de la station, l’azote
est présent sous forme d’azote organique
lié (Norg.) et d’azote ammoniacal (NH4-N).
Le traitement biologique des eaux usées
consiste à convertir, sous l’action des bactéries présentes dans les boues activées,
l’azote organique en NH4, lequel, à l’instar
du NH4 de la zone d’arrivée, se transforme
en nitrites, puis en nitrates (nitrification).
Les composés azotés qui ne sont pas
formés par voie biologique dans les boues
activées sont convertis en azote élémentaire dans des conditions anoxiques
(c.-à.-d. en l’absence d’oxygène dissous). Il s’agit de la dénitrification. Celui-ci
s’échappe dans l’air sous la forme N2.
¾ Les composés azotés sont mesurés
sous la forme NH4-N, NO2-N, NO3-N
et TN (azote total, important pour les
bilans et les contrôles en sortie).
Phosphore
La matière phosphorée présente dans la
zone d’arrivée de la station comprend
des orthophosphates (PO4-P), des polyphosphates et des composés phosphorés
organiques. Ceux-ci sont comptabilisés
dans le paramètre de phosphore total (Ptot).
Le traitement biologique des eaux usées
Composés organiques + O2 + éléments nutritifs
Microorganismes
Nouvelle substance cellulaire + CO2‹ + H2O
Tableau 1 : principaux paramètres totaux du traitement des eaux usées
DCO (demande chimique en oxygène) : il s’agit de la quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation
complète des composés carbonés. Elle tient également compte des composés inorganiques réduits.
DBO5 (demande biologique en oxygène) : il indique la quantité d’oxygène élémentaire consommée
sous l’effet de la décomposition opérée par les microorganismes dans des conditions standard, au
bout de 5 jours.
COT (carbone organique total) : il a trait au carbone organique lié ; à l’inverse de la DBO5, le COT
permet de détecter des composés difficilement biodégradables.
ATK (azote total Kjeldahl) : ce paramètre recense l’azote organique lié (Norg.) et l’azote
ammoniacal (NH4-N).
Azote total TN (LATON) : cette mesure a trait à l’azote organique lié, à l’azote ammoniacal
(NH4-N), aux nitrites (NO2-N) et aux nitrates (NO3-N).
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Nitrification
Dénitrification
Composés azotés organiques
(carbamide, albumine, etc.)
Hydrolyse et
ammonification
Azote ammoniacal NH4-N
Nitrate NO3-N
Nitrate réductase - oxygène
Nitrite NO2-N
Nitrosomonas + oxygène
Nitrite d’azote NO2-N
Nitrobacter + oxygène
Nitrate d’azote NO3-N
Composés carbonés organiques
Nitrite réductase - oxygène
Oxygène
Dioxyde de carbone CO2‹
NO, N2O
Réductase NO,
N2O - oxygène
Azote élémentaire N2‹
Fig. 1 : processus de décomposition lors de la nitrification et de la dénitrification
transforme les polyphosphates et le phosphore organique lié en orthophosphates.
Les besoins en phosphore des organismes s’expliquent par le rôle spécifique
que joue le phosphore dans le métabolisme énergétique. Le phosphore est en
effet nécessaire à la formation de la membrane des cellules et de l’ADN.
Une partie du phosphore contenu
dans les eaux usées est éliminé par voie
biologique (Bio-P). La portion restante peut
être résorbée par absorption biologique,
mais aussi par un procédé physico-chimique de précipitation des phosphates.
¾ Les composés phosphorés sont mesurés sous la forme d’orthophosphates
PO4 (régulation de la précipitation) et de
Ptot. (bilan, contrôle en sortie).
Oligoéléments
Les autres oligoéléments nécessaires à la
formation cellulaire, comme le potassium,
le magnésium, le manganèse, le fer, le
cuivre, le zinc, le nickel, ainsi que les vitamines et autres substances de croissance,
sont pour la plupart présents dans les
eaux usées urbaines ou fournis par les
microorganismes des boues activées.
Soufre
Les eaux usées domestiques en décomposition, de même que diverses eaux
usées industrielles, contiennent des composés soufrés réduits (acide sulfurique,
sulfures et hyposulfites). Le soufre est un
élément incontournable des protéines.
Dans les stations d’épuration, les composés soufrés réduits se transforment en
sulfates par oxydation chimique, mais
aussi, sous l’action d’oxydation de certaines bactéries qui en tirent de l’énergie,
en soufre stocké à l’intérieur même des
cellules.
Une forte concentration en composés
soufrés réduits dans les eaux usées peut
toutefois poser divers problèmes (tableau 2).
Ratio C,N,P (DBO5, TN, Ptot.)
La concentration des différents éléments
nutritifs dans les eaux usées doit être
équilibrée (ratio C, N, P) et correspondre
aux besoins des bactéries qui se trouvent
dans les boues activées. Cela est primordial pour l’efficacité des processus
de décomposition biologique. Dans le
cas d’une épuration des eaux usées de
type aérobie, le ratio C, N, P doit être
situé entre 100, 10, 01 et 100, 05, 01.
La surveillance en continu met
en œuvre des sondes sans réactif.
Les analyseurs actuels sont
installés directement en bordure
de bassin, sans local de protection.
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ÉLÉMENTS NUTRITIFS_CALCUL
Proportions en éléments nutritifs
favorables et défavorables
Transmetteur SC 1000 pour jusqu’à
huit capteurs, compatible avec
une exploitation réseau (par ex.
ProfiBus)
Les divers types d’exploitations industrielles, les habitudes alimentaires locales
(déchets culinaires variés éliminés directement dans les canalisations), la nature
du sol et de l’eau potable provoquent
toutefois de fortes variations dans la
composition des eaux usées. Pour les
eaux usées urbaines, le rapport C, N, P
empirique est d’environ 100, 20, 05.
Grâce aux méthodes actuelles, l’élimination des composés azotés et phosphorés excédentaires dans les eaux usées
ne pose pas de problème majeur.
Toute carence d’un élément nutritif
principal dans les eaux usées, au niveau
de la zone d’arrivée de la phase de purification biologique, peut poser divers
problèmes (tableau 3).
Une dénitrification efficace suppose
une certaine proportion en composés
carbonés facilement biodégradables.
Dans les eaux usées urbaines prédécantées, le rapport DBO5/N est de
100/25 (=4). S’il descend en-deçà de
100/40 (=2,5), le processus de dénitrification ne s’effectue pas complètement,
ce qui se traduit par des valeurs de process accrues en termes de nitrates. Si
l’absence de décantation primaire et
Tableau 2 : causes et conséquences d’une forte concentration en soufre
Sonde immergée NITRATAX sc pour
la mesure en ligne des nitrates.
Causes/provenance des eaux usées
• Forte concentration en composés soufrés en provenance
de l’industrie chimique et alimentaire (industrie de la
viande et de la volaille, présence d’albumine)
• Processus anaérobies dans le
réseau de canalisations, avec
réduction des composés soufrés en acide sulfurique
Conséquences possibles
Mesures correctives
• Prévention de la stagnation
• Corrosion des canalisations
des eaux usées dans le réseau
et des parois du bassin de la
de canalisations
station d’épuration
• Odeurs incommodantes pour • Augmentation du dosage des
sels ferreux dans la canales riverains
lisation (ex. au niveau des
• Développement accru des
groupes de pompage)
bactéries filamenteuses qui
oxydent le soufre (type 021 N)
Tableau 3 : causes et conséquences d’une carence en éléments nutritifs au niveau de la phase de purification biologique des eaux usées
Carence en
Carbone
Azote
Phosphore
Causes/provenance des eaux usées
• Séjour prolongé dans le réseau de
canalisations
• Décantation primaire poussée des
eaux usées
• Eaux usées industrielles à forte
teneur en azote, par ex. traitement
du lait et de la viande
Eaux usées à faible teneur en azote en
provenance des secteurs suivants :
• Industrie papetière
• Traitement des fruits et légumes
Conséquences possibles
• Développement accentué des bactéries filamenteuses (foisonnement et
moussage)
• Dénitrification insuffisante
Mesures correctives
• Absence de décantation primaire
• Augmentation du volume de dénitrification tout
en conservant un volume de nitrification suffisant
(boues datant de 9 jours minimum)
• Valeurs DCO/COT élevées en sortie de Equilibrage des proportions en éléments nutritifs :
• Augmentation du dosage en composés azotés
station d’épuration
(produits techniques compétitifs comme la
• Bactéries filamenteuses
carbamide)
• Adjonction d’eaux usées domestiques, d’eau
trouble en provenance du digesteur
• Eaux usées des décharges, eaux usées • Valeurs DCO/COT élevées en sortie
Equilibrage des proportions en éléments nutritifs par :
issues du traitement des fruits et
• Bactéries filamenteuses
• Augmentation du dosage en composés phosphorés
légumes
(produits techniques compétitifs comme l’acide
phosphorique ou les engrais agricoles phosphatés)
• Adjonction d’eaux usées domestiques
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l’augmentation du volume de dénitrification n’apportent pas d’amélioration,
il convient d’envisager le recours à un
dosage en substrat facilement dégradable (source de carbone externe).
Les sources de carbone envisageables
pour l’équilibrage des éléments nutritifs
sont les suivantes :
- Carbone interne = boues primaires
hydrolysées ou acidifiées
- Carbone externe = résidus industriels (brasseries, laiteries, industrie
sucrière) et produits techniques
(méthanol, éthanol, acide acétique).
Exemple
Une station d’épuration urbaine qui traite
une forte proportion d’eaux usées d’origine industrielle obtient, au niveau de la
zone d’arrivée de la purification biologique,
les paramètres d’éléments nutritifs suivants (tableau 5).
Rapport DCO/DBO5
La relation entre ces deux paramètres
totaux permet de mesurer la biodégradabilité de la charge polluante des eaux
usées. La dégradabilité est considérée
comme bonne dès lors que le rapport
DCO/DBO5 est inférieur ou égal à 2/1.
Les substances qui présentent un rapport supérieur sont considérées comme
difficilement biodégradables.
1. Quantité d’azote ne devant pas
être dénitrifié (ΣNn.z.d.):
¾ voir tableau 6
Le rapport DBO5 / N est de 2,45. Il est
donc trop bas pour garantir une dénitrification suffisante. En conséquence, il est
nécessaire d’ajouter des composés carbonés externes. Cela implique divers
calculs :
2. Calcul de l’azote pouvant être
dénitrifié avec les eaux usées :
A raison d’une dénitrification en amont
et d’un rapport VD/VBA de 0,5, la capacité
de dénitrification, conformément au
tableau 7, est égale à
Cdéni = 0,15 kg NO3-ND/kg DBO5.
Il existe des tests en cuve LANGE
pratiques pour tous les paramètres
importants.
Le recours à une assurance qualité
analytique permet de disposer de
résultats de mesure reconnus par
les autorités.
SNO3-N, D = Cdéni × ch. adm. DBO5
= 0,15 × 110 mg/L = 16,5 mg/L
c.-à-d. que la biologie existante permet
de dénitrifier 16,5 mg/L de NO3-N.
Tableau 4 : causes et conséquences d’un rapport DCO/DBO5 défavorable
Causes/provenance des eaux
usées
• Eaux de drainage des
décharges, eaux usées des
usines de compost, traitement des déchets résiduels et
industrie chimique
• Forte dégradation de la
DBO5 dans les réseaux de
canalisations de grande
longueur en période estivale
• Décantation primaire
intensive des eaux usées
Conséquences possibles
Mesures correctives
• Adjonction de sources de
• Dénitrification insuffisante
carbone afin d’améliorer la
(valeurs de processus avec
une teneur élevée en nitrates) dénitrification
• Mise en œuvre de procédés
• DCO élevée en sortie de
chimiques/physiques pour les
station
matières non ou difficilement
• Dégradation du Bio-P
biodégradables (traitement à
l’ozone, filtre à charbon actif,
technologie à membrane)
Les automates de laboratoire
apportent une aide précieuse dès
lors que les échantillons sont
nombreux.
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ÉLÉMENTS NUTRITIFS_CONTRÔLE
Régulation du dosage des substrats
par mesure NO3-N
Tableau 5 : moyennes journalières d’une station d’épuration urbaine
Moyennes journalières
Volume d’arrivée [m3/d]
Ch. adm. DBO5 [mg/L]
Ch. adm. TNLATON [mg/L]
Ch. adm. Ptot. [mg/L]
Ch. adm. DBO5 : ch. adm. TN = 110:45 =
10.000
110
45
3,5
2,45
3. Besoins en substrat externe
La teneur en azote restant à dénitrifier
est égale à l’apport d’azote total, moins
la quantité d’azote ne devant pas être
dénitrifiée, moins la quantité d’azote
pouvant être dénitrifiée à l’aide de l’installation :
SNO3-N, D, Ext = apport TN - ΣNn.d. - SNO3-N, D
= 45 mg/L - 15,5 mg/L - 16,5 mg/L
= 13 mg/L
Tableau 6 : exemple de calcul de l’azote ne devant pas être dénitrifié (UNn.d.)
N incorporé dans la biomasse (5 % de la ch. adm. DBO5)
Norg.e (e = valeur cible supposée en sortie)
NH4-Ne (e = valeur cible en sortie)
NO3-Ne (e = valeur cible en sortie)
Total
5,5 mg/L
2 mg/L
0 mg/L
8 mg/L
15,5 mg/L
Tableau 7 : capacité de dénitrification selon la norme allemande ATV-A131
(valeurs indicatives par temps sec, pour une température de 10 à 12 °C)
VD/VBA
Volume dénit./volume des boues
activées
Cdéni (capacité de dénitrification en kg NO3-ND/kg DBO5)
Dénitrification en amont
Dénitrification simultanée et
intermittente
0,2
0,11
0,3
0,13
0,4
0,14
0,5
0,15
VD : volume du bassin de boues activées utilisé à des fins de dénitrification
VBA : volume du bassin de boues activées
0,06
0,09
0,12
0,15
Tableau 8 : sources de carbone externes pour calcul du dosage nécessaire
Acide acétique
Méthanol
DCO
kg/kg
1,07
COT
kg/kg
0,40
DBO5 kg/kg
0,70
Densité kg/m3
1.060
Dans cet exemple, 1 kg d’acide acétique correspond à
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1,50
0,38
0,96
790
1,07 kg de DCO.
Ethanol
2,09
0,52
1,35
780
Il convient de procéder à un apport supplémentaire en carbone à destination
des microorganismes des boues activées
en vue de la dénitrification des 13 mg/L
d’azote restants. Pour un volume d’eaux
usées journalier de 10 000 m3, la quantité de matière azotée est de 130 kg.
Conformément à la fiche de travail DWA
réf. A131, cela correspond à des
besoins externes en carbone de 5 kg
DCO/1 kg NO3-N. Une dénitrification
complète nécessite alors 650 kg de
DCO par jour. Selon le tableau 8, la
quantité d’acide acétique correspondante serait de 607 kg/jour. Le dosage
doit être ciblé en fonction des valeurs
NO3-N.
En résumé
Des proportions défavorables en éléments nutritifs et une forte concentration
de certaines substances sont préjudiciables aux performances de décomposition des processus biologiques de
traitement des eaux. Il est donc primordial
de surveiller en continu et de détecter les
paramètres critiques suffisamment tôt,
afin de pouvoir prendre les mesures
correctives, si nécessaire. C’est le seul
moyen de respecter les valeurs de sortie
prescrites par le législateur et d’éviter les
éventuelles taxes sur les eaux usées. Les
tests en cuve LANGE et les appareils de
mesure de process à fonctionnement
permanent s’avèrent indispensables
pour renforcer la transparence comme la
sécurité.
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Les paramètres d’éléments nutritifs à
analyser sont respectivement les suivants (conformément aux dispositions en
matière d’autosurveillance) :
Points de mesure types dans les
stations d’épuration
¬ Décantation primaire à l’arrivée :
détermination et surveillance de la
charge de l’installation
® Boues activées à l’arrivée : optimisation de l’apport en éléments nutritifs
Boues activées en sortie : contrôle
et optimisation des performances
de décomposition du carbone, de la
nitrification/dénitrification et de l’élimination du phosphore
Sortie de station : surveillance des
seuils, contrôle de la station
¾ DCO (éventuellement COT)
¾ DBO5
¾ ortho PO4-P
¾ Ptot
¾ NH4-N
¾ ATK (azote total Kjeldahl : somme du
NH4-N et du Norg.)
¾ Ntot.inorg..(Ninorg. : somme du NH4-N, du
NO3-N et du NO2-N)
¾ TNb (azote total : somme du Norg. et
inorg.)
Filtre
Sédimentation finale
Epaississeur
Aération
Décantation primaire
®
Bassin de criblage/dessablage
Digesteur
¬
Canal
Réservoir d’eaux pluviales
Elimination des sédiments
Laboratoire/Centre de contrôle principal
Fig. 2 : représentation schématique d’une station d’épuration avec points de mesure types pour la surveillance des éléments nutritifs
ÉLÉMENTS NUTRITIFS_SOLUTIONS DE MESURE
Des proportions optimales grâce à des
techniques de mesure modernes
Poste de mesure pour les analyses en laboratoire
DR 3900
LT 200
Alternative
HT 200S
Tests en cuve
Spectrophotomètre compact et puissant (320 à 1 100 nm) avec technologie RFID garantissant la fiabilité et la traçabilité des résultats des
mesures lors des analyses de routine et des applications pour utilisateurs ; système de lecture de code à barres (IBR) pour l‘évaluation des
tests en cuve LANGE ; écran rétroéclairé tactile
Thermostat sec pour les mesures standard ou spéciales ;
pré-programmé pour la mesure de la DCO, de l’azote total, du
phosphore total, du COT, des acides org., des métaux, etc.
Thermostat haute température pour la mesure rapide de la DCO,
de l’azote total, du phosphore total et des métaux en 35 minutes
seulement ; mesures standard du COT
Réactifs prêts à l’emploi avec sécurité optimale pour l’utilisateur ;
procédé reconnu, extrêmement précis ; plus de 50 paramètres et
plages de mesure
Installation pour la mesure en ligne
Appareil de mesure pour la détermination en continu de la
concentration en ammonium dans les échantillons d’eau et
d’eaux usées à faible teneur en matières solides. La mesure
est effectuée par une électrode à diffusion gazeuse.
Appareil de mesure pour la détermination en continu de la
PHOSPHAX sc
concentration en ammonium dans les échantillons d’eaux et
d’eau usées à faible teneur en matières solides. La mesure est
effectuée selon la méthode vanadate/molybdate.
Sonde ISE pour une détermination continue de la concentration en
AISE sc
ammonium (AISE sc, AN-ISE sc) et en nitrate (NISE sc, AN-ISE sc) dans
AN-ISE sc
le fluide. La mesure est effectuée à l‘aide d‘une électrode sélective
NISE sc
d‘ions (ISE) avec compensation automatique du potassium et du chlorure.
Utilisation très simple grâce à la cartouche de capteur CARTRICAL plus.
Sonde de process pour la détermination de la teneur en nitrates
NITRATAX sc
directement dans l’eau, les eaux usées ou les boues activées, sans
prélèvement d’échantillon. Sonde auto-nettoyante, procédé sans
réactif, diverses plages de mesure
Transmetteur SC 1000 Un système de transmetteur SC 1000 se compose d’un module affichage
et d’un ou plusieurs modules sondes. Il est configuré par module selon
les besoins du client et peut être utilisé à tout moment pour connecter
d’autres analyseurs, capteurs, relais, modules d’entrées et de sorties
analogiques, ainsi que des modules interfaces bus supplémentaires.
Chaque module peut commander jusqu’à huit capteurs.
Alternative
Transmetteur SC 200 Commande jusqu’à deux capteurs (incompatible avec AMTAX sc et
PHOSPHAX sc).
AMTAX sc
Poste de mesure pour les analyses en laboratoire avec photomètre DR 3900, thermostat
LT 200 et tests en cuve LANGE
1. Manuel ATV : Biologische und weitergehende
Abwasserreinigung , Ernst & Sohn-Verlag 1997
2. K. Hänel : Biologische Abwasserreinigung mit
Belebtschlamm , VEB Gustav Fischer Verlag,
1986
3. K. Mudrack, S. Kunst : Biologie der Abwasserreinigung, Gustav Fischer Verlag, 1994
4. Fiche de travail DWA A 131
5. S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop : Betriebsprobleme auf Kläranlagendurch Blähschlamm,
Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag
2000
6. D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger :
Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids
separation problems, Lewis Publishers 2004
7. Sécurité d’exploitation et réduction des coûts
avec HACH LANGE, DOC140.77.00449
DOC040.77.10005.Oct12
Bibliographie