Éléments nutritifs

Éléments nutritifs:
proportions pour le traitement des eaux
Les exploitants des stations d’épuration sont tenus de contrôler soigneusement le processus
d’épuration, afin d’anticiper tout risque de dépassement des seuils. Il est donc fondamental de connaître la composition des boues activées, ainsi que les 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 proportions en éléments nutritifs sont défavorables.
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.
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
composés carbonés sont déterminés via la DCO, la
DBO5 et le COT.
Azote
Dans la zone d’arrivée de la station, l’azote est présent sous forme d’azote organique lié 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
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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. Il s’agit de la dénitrification. Celui-ci s’échappe dans l’air sous la forme N2.
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 transforme
les polyphosphates et le phosphore organique lié
en orthophosphates. 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. Les composés phosphorés sont mesurés sous
la forme d’orthophosphates PO4 (régulation de la
précipitation) et de Ptot. (contrôle en sortie).
Oligoéléments & soufre
Les oligoéléments nécessaires à la formation cellulaire sont pour la plupart présents dans les eaux
usées urbaines ou fournis par les microorganismes
des boues activées. Une forte concentration en
composés soufrés réduits dans les eaux usées peut
toutefois poser divers problèmes.
Proportions en éléments nutritifs favorables et défavorables
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 100/10/1 et 100/5/1. Pour les eaux
usées urbaines, le rapport C/N/P empirique est
d’environ 100/20/5. 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 1). Une dénitrification efficace
suppose une certaine proportion en composés carbonés facilement biodégradables. Dans les eaux
usées urbaines prédécantées, le rapport DBO5/N
dossier
m+R
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 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 – des brasseries, laiteries et
industrie sucrière – et produits techniques comme
méthanol, éthanol et acide acétique).
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.
Exemple: Régulation du dosage des substrats par
mesure NO3-N
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, un rapport DBO5 / N de
2,45 étant trop bas pour garantir une dénitrification suffisante.
En conséquence, il est nécessaire d’ajouter des
composés carbonés externes. Tenant compte de
la qualité souhaitée à la sortie et de la quantité
d’azote pouvant être éliminée avec les eaux usées
à raison d’une dénitrification en amont, il reste
encore 13 mg/l d’azote à éliminer. 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. La quantité d’acide acétique correspondante serait de 607 kg par jour.
Le dosage doit être ciblé en fonction des valeurs
NO3-N qui varient dans le courant de la journée.
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
Tableau 1: 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
• Bactéries filamenteuses
(produits techniques compétitifs comme la carbamide)
• Adjonction d’eaux usées domestiques, d’eau
trouble en provenance du digesteur
Equilibrage des proportions en éléments nutritifs par :
• Eaux usées des décharges, eaux usées • Valeurs DCO/COT élevées en sortie
• Bactéries filamenteuses
• Augmentation du dosage en composés phosphorés
issues du traitement des fruits et
légumes
(produits techniques compétitifs comme l’acide
phosphorique ou les engrais agricoles phosphatés)
• Adjonction d’eaux usées domestiques
mesure de process à fonctionnement permanent
s’avèrent indispensables pour renforcer la transparence comme la sécurité.
Points de mesure types dans les stations d’épuration
(Fig. 1)
1. Décantation primaire à l’arrivée: détermination
et surveillance de la charge de l’installation;
2. Boues activées à l’arrivée: optimisation de
l’apport en éléments nutritifs;
3. Boues activées en sortie: contrôle et optimisation
des performances de décomposition du carbone,
de la nitrification/dénitrification et de l’élimination
du phosphore;
4. Sortie de station: surveillance des seuils, contrôle de la station.
Les paramètres d’éléments nutritifs à analyser sont
respectivement les suivants (conformément aux
dispositions en matière d’auto surveillance): DCO
(éventuellement COT), DBO5, ortho PO4-P / Ptot,
NH4-N, ATK (azote total Kjeldahl : somme du NH4-N
et du N organique), Ntot.inorg.(N inorganique : somme
du NH4-N, du NO3-N et du NO2-N) et TNb (azote
total : somme du N organique et inorganique).
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