Les Boues Activées

1. Les Boues Activées Jean Pierre CANLER Groupement de Lyon

2. Les procédés à boues activées. • 1 – Introduction • 2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique • 3 - Système intensif : la boue activée • 3.1 : le bassin d’aération • * volume de l’ouvrage • * capacités d’aération • 3.2 : le processus de floculation

3. 3.3 : Le clarificateur * dimensionnement de l’ouvrage * la recirculation des boues 3.4 : la production de boue 3.5 : les autres ouvrages ou équipements : - prétraitements - décantation primaire - zone de contact - zone d’anoxie - ouvrage de dégazage 3.6 : la filière boue

4. clarificateur ou décanteur secondaire eau épurée bassin d’aération boue en excès Depuis de nombreuses évolutions et configuration 1 - Introduction : A partir du principe de traitement biologique, sa mise en application est ancienne :les procédés boues activées datent de 1914 en Grande Bretagne. Schéma général du procédé de traitement des eaux usées par boues activées

5. 2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique • La mise en œuvre du réacteur biologique (ou bassin d’aération) : • C’est un bassin composé de bactéries et est alimenté avec des eaux résiduaires le plus souvent pré-traitées et aérée de façon artificielle. En sortie de cet ouvrage, les eaux sont composées d’une grande quantité de matière organique bactérienne. • Les principales bases de dimensionnement de cet ouvrage : • le temps de séjour hydraulique = • la concentration en bactéries ou en matières en suspension (Cm) • la source d’oxygène : indispensable à l’activité bactérienne (bactéries aérobies) • la qualité de l’eau recherchée (plus particulièrement l’eau interstitielle). Dans tous les cas, le réacteur biologique sera suivi d’un bassin de sédimentation.

6. Temps de séjour hydraulique (équivalent à l’âge de la boue) : • A l’équilibre hydraulique (Volume entrant = Volume sortant) • Ts hydraulique = Volume du bassin / Volume entrant • L’élimination de la matière organique s’effectue en trois étapes : • - l’absorption des matières organiques en solution et facilement biodégradables (DCO sol) • - la capture et l’adsorption des matières organiques particulaires et colloïdales (70% de la DCO) • Suivi de l’hydrolyse puis l’absorption. • Le temps de séjour nécessaire à une bonne épuration est déterminé par l’étape la plus lente.

7. DBO5 (mg/l) 400 300 200 100 DBO5 - entrée DBO5 sortie totale DBO5 particulaire adsorbé DBO5 dissoute Âge de boues (jr) Un âge de boue de l’ordre de 1,5 jours suffit pour éliminer les matières organiques dissoutes.Un âge de boue de l’ordre de 2,5 à 3 jours suffit pour éliminer les matières organiques colloïdales et particulaires en raison de la phase d’hydrolyse préalable. • Après 3 jours: • les stocks extra-cellulaires ainsi formés sont dégradés et laissent ainsi les boues en bonne condition pour l’adsorption d’autres matières organiques. • Comme l’Age de la boue = Ts hydraulique et qu’il doit être d’au moins 3 à 4 jours, le volume du réacteur sera égal à 3 à 4 fois le volume collecté journalièrement .

8. Exemple : Calculez le volume d’un bassin d’aération pour une ville de 12 000 habitants. Supposez : - rejet par habitant : 0,060 kg DBO5/jr 0,150 m3/jr - temps de séjour hydraulique : 4 jours On trouve : - flux hydraulique journalier : 12000 x 0,15 = 1800 m3/jr - volume du bassin : 1800 x 4 = 7200 m3

9. 2 - La concentration en matières en suspension : Quantité de biomasse produite journalièrement = Quantité de biomasse évacuées journalièrement A l’équilibre hydraulique : Qe x [DBO5] x PSB = Qs x [Mes] Biomasse formée biomasse évacuée Qe = Qs Donc [ DBO5 ] x PSB = [ MES ] Pour un effluent classique : [ DBO5 ] = 300 mg/l , la concentration en MES sera de 0,256 g/l (PSB =0.9 kg de MES / kg de DBO5 éliminée – rendement 95 %) D’où une très faible concentration de biomasse.

10. 3 - La quantité d’oxygène : abordée plus loin. • 4 - La qualité de l’eau traitée : • En sortie du réacteur biologique, l’effluent contient encore de la matière organique dite : • - dissoute : valeur faible, résiduel < à 10 mg/l de DBO5 (soit une DCO < à 25 mg/l ), • - particulaire : composée de biomasse et de matières solides apportées par les eaux usées et non dégradées.

11. Exemple : • Calculez la concentration en DBO5 totale de l’effluent de sortie du réacteur biologique et en sortie du clarificateur • Avec une concentration en DBO5 de l’effluent à traiter = 300 mg/l • Un Ts hydraulique = âge de boue • = 4 jours d’où un rendement de 95 % sur la DBO5 Totale • Une PSB = 0,9 kg de MS / kg de DBO5 éliminée • On sait qu’un kg de MES (biomasse)= 1,2 kg de DCO = 0,5 kg de DBO5 Résultat DBO5 non traitée (sortie réacteur biologique et sortie clarificateur) 300 mg/l x 95 % = 285 mg/l soit 15 mg/l de DBO5 non dégradée DBO5 liée à la biomasse formée (sortie réacteur biologique) 285 mg/l x 0,9 x 0,5 = 128 mg/l de DBO5 particulaire (biomasse) Soit un effluent de sortie réacteur bio. = 143 mg/l (15 + 128 mg/l) D’où un rendement du réacteur biologique de 52,3 % (300-143/300 ) Et un rendement de 95 % en sortie clarificateur (300-15/300)

12. En conclusion, • La mise en œuvre d’un réacteur biologique est relativement simple et le procédé est très fiable. Les contraintes d’exploitation sont limitées. • Malgré les avantages,on note les inconvénients suivants : • - volume d’ouvrage important (ts de 4 jours) qui entraîne des puissances de brassage élevées. • - absence de possibilité de traiter l’azote(en dehors de l’assimilation) : âge de boue trop court. • - absence de stabilisation de boues.

13. Charge volumique = Cv = Kg de DBO5/ j et par m3 de réacteur. Notion de temps de séjour Si un échantillon proportionnel aux débits à une DBO5 = 300 mg/l Avec une Cv = 0,3 kg de DBO5/m3 de réacteur et par jour Ts = 1 jour

14. Ces inconvénients peuvent être supprimés, • - séparer la notion de temps de séjour hydraulique et âge de boue :  Captage des particules et adsorption : 70 % de la DBO5 en 15 mn DBO5 soluble 1 à 1,5 jours • * le temps de séjour diminué (d’où une réduction du volume des ouvrages) • l’augmentation de l’âge de la boue par l’augmentation de la quantité de biomasse donc de sa concentration. Cette concentration pourra être accrue par la recirculation des boues issues de l’ouvrage de sédimentation • (= clarificateur). • Un tel procédé avec un âge de boue de 20 jours, un temps de séjour hydraulique de 1 jour, une concentration en MES dans le réacteur de 4 g/l est appelé l’aération prolongée. • Cm = 0,1 Cv = 0,3 ([DBO5] = 300 mg/l)

15. Autres relations • Cv notion de temps de séjour  

16. Dimensionnement : Filière eau 1 - les prétraitements : Dégrilleur – Dessableur – Déshuileur 2 - le réacteur biologique * le volume du réacteur biologique * les capacités d’aération 3 - le clarificateur * dimensionnement du clarificateur * recirculation des boues 4 – la production de boues 5 – les ouvrages annexes: • prétraitements compacts • décantation primaire • zone de contact • zone d’anaérobie • zone d’anoxie • ouvrage de dégazage Filière boue

17. Le réacteur biologique : •  le volume dépend : • - de la quantité de boues nécessaire pour traiter la pollution donc de la Cm (donc de l’âge de la culture), et • de la concentration des boues du réacteur (limite hydraulique du clarificateur). • Meilleur compromis 4 g/l + 0,5 (Cm = 0,1 et Ts = 1 j ) •  Quantité de boues :deux approches • méthode des charges massiques • méthode des âges de boues

18. Méthodes des charges massiques * on retient une charge massique (AP car PSB faible, stabilisation des boues, traitement de l’azote, qualité de l’eau élevée) = 0,1 kg de DBO5 /kg de MVS.jour * une charge de référence de X kg de DBO5 à traiter * d’où charge réf / Cm donne kg de boues

19. Méthode des charges massiques Exemple: Calculez la quantité de boue puis le volume du bassin du bassin d’aération d’une station d’épuration type « aération prolongée » pour une ville de 12000 hab. On suppose : ‑ rejet par habitant 0.060 kg DBO5/jour ‑ charge massique 0.1 kg DBO5/kg MVS.j ‑ concentration des boues activées 4 kg MES/m3 et 2.8 kg MVS/m3 (70% car A.P.) On trouve : - flux massique journalier 12 000 x 0.060 = 720 kg de DBO5/jour   - quantité de boues dans le bassin 720 / 0.1 = 7.200 kg MVS ou 10285 kg MES (720 / 0.07) - volume du bassin 7.200 / 2.8 = 2571 m3 (ou 10285/4)

20. Méthode de l’âge de boue - fonction des objectifs recherchés : stabilisation,nitrification,… La stabilisation est fonction de la température : + rapide en pays chaud d’où un âge de boue plus court (idem pour le taux de croissance de la biomasse autotrophe ) On peut approcher l’effet de la température sur l’âge de boue à partir de la formule suivante : âge de boue (jours) x température (°C) = 250. A partir de l’âge de boue et de la production journalière (quantité de pollution et Ps de boue), on obtient la quantité de boue.

21. Méthode des âges de boue • Exemple: • Calculez la quantité de boues dans le bassin d’aération d’une station d’aération prolongée pour une ville de 12000 hab. sous deux climats différents (15°C et 25°C). Puis calculez la charge massique et le volume du réacteur avec : • flux massique à traiter : 720 kg DBO5/jr • PSB = 0,65 kg de MES/ kg de DBO5 appliquée • MES dans le réacteur biologique = 4 g/l • Taux de MVS des boues = 70 %

22. On trouve :

23. Calcul des besoins en O2 Calculer la demande journalière en oxygène en boue *DOMat Org = a’Le = oxydation de la matière organique Masse de DBO5 éliminée d’où flux de DBO5 apporté x rendement 95 % (AP-fC) a’ fonction du domaine de charge : AP-fC = 0.65 kg d’O2 / kg de DBO5 éliminé *DOendogène= b’Sv = Auto-oxydation de la boue Quantité de biomasse dans le système ( pas de boue dans le décanteur) b’ respiration endogène 0.07 Quantité d’oxygène nécessaire au métabolisme endogène de 1 kg de biomasse : AP-fC = 0.07 kg d’O2 / kg de MVS (on a 0,7 kg d’O2 /kg de DBO5 éliminée)

24. Calcul des besoins en O2 *DOnitrif = Oxydation de l’azote nitrifiable Il faut 4.2 kg d’O2 pour oxyder 1 kg d’azote ammoniacal = 4.2 x N nitrifiable Azote ammoniacal disponible à la nitrification = NK entrée - N organique particulaire réfractaire (Nopr) piégé dans les boues - N organique soluble réfractaire (Nosr) rejetée - N assimilé - N rejeté avec l’eau épuré (N-NH4+ rejeté) *AODénitrif= Apport d’ O2 lié à la dénitrification (rétrocession). De l’ordre de 2,85 g d’O2 par g d’azote dénitrifié = 2,85 * NDN D’où une DJO (demande journalière en Oxygène) =

25. Exemple : Calculez les besoins en oxygène journaliers de la station d’épuration (Aération prolongée Traitement du carbone) (température = 15 °C) Donnée : Volume de réacteur = 1942 m3 [MES] = 4 g/l (taux de MVS = 70 %) Flux massique = 720 kg de DBO5/jour Rendement en DBO5 = 95 % Réponse : DO mat.org. = 720 x 0,65 x 95 % = 445 kg d’O2/jour DO resp/endogène = 1942 x 4 x 0,70 x 0,07 = 380 kg d’O2/jour DJO = 825 kg d’O2/j avec 46 % respiration endogène Et 54 % oxydation directe

26. Calcul des besoins en O2 AH’ en boue > DHO

27. Calcul des besoins en O2 Les performances d’aération des aérateurs sont exprimées dans les conditions standard : eau claire, température 20°C, pression normale, …. AH’ (en boues) représente un pourcentage de l’AH eau claire dépendant du type d’aérateurs. Avec

28. Calcul des besoins en O2

29. Calcul des besoins en O2 Avec 0.21 : Pourcentage d’oxygène dans l’air 1.425 : masse volumique de l’oxygène (1.42 g d’O2/ l à 273 °K) ROm : efficacité des diffuseurs par mètre d’immersion en % On retiendra Rom = 4 % sans agitation. Rom = 6 % avec agitation. Puissance à installer : courbe donnée par les fournisseurs. (Insufflation)

30. Deux objectifs : - O2 nécessaires aux microorganismes - Puissance a mettre en œuvre pour éviter le dépôt Aération

31. Temps de fonctionnement des aérateurs selon le niveau de traitement recherché • Élimination du carbone : • Temps de fonctionnement optimal 16 à 18 h/j à la charge nominale. • 80 % de la charge arrive en 14 h • Élimination des composés azotés : • Le temps de fonctionnement ne doit pas dépasser 14 h /j , et des périodes d’arrêt maxi de 2 heures sont nécessaires . • Tendance actuelle séparation aération / brassage(agitateur grande pales) puissance variable selon la géométrie des bassins : • - 3 W /m3 minimum pour une forme annulaire • - 12 à 15 W /m3 pour une forme rectangulaire et de grande longueur

32. Autres recommandations : • Favoriser le mélange effluent / boue :cloison siphoïde à l’entrée du bassin ( on limite le risque de court-circuit hydraulique ) • Évacuer la liqueur aérée aussi éloigné de l’entrée des eaux à traiter et des retours de boues. • Il est recommandé de placer une cloison siphoïde à l’amont de la lame déversante et de minimiser la chute d’eau (air) • La conduite de liaison : • - > à 150 mm de diamètre • - Vitesse 1 m/s

33. Recommandation des aérateurs : • Turbine : • - Turbine ouverte préférable aux fermées (risque de colmatage) • - Hauteur de revanche de 50 cm, mur extérieur muni d’un acrotère : retour incliné ou horizontal • - Démarrage à variation de fréquence. • - Poteau de soutien des passerelles éloignés de l’aérateur pour éviter de briser la gerbe. • - Présence d’une jupe : facteur favorable aux mousses. • Turbine – Brosse : réglage par horloge,plots de 10 minutes. • Insufflation : - Surpresseur à double vitesse • - Isolation phonique et ventilation du local surpresseur • - Possibilité de contrôle du débit d’air :colmatage des rampes • - mesures de pression • - mesures de débit d’air.

34. 3.2 : Le processus de floculation

35. Substrat = Matière organique Protozoaires Bactéries Métazoaires Clarification de l’eau Interstitielle Transforment la pollution PRODUCTEUR PRIMAIRE Biologie des boues

36. BOUE > 97 % d’eau Forme dispersée - faible décantation - épuration limitée Forme agglomérée - cas normal • Forme filamenteuse • foisonnement • ou mousses stables • - faible décantation ORIGINE Forte pression sélective (substrat. O2) Dynamique des populations bactériennes dans les boues activées

37. Mucilage Membrane bactérienne Réserves sucres complexes Eau résiduaire : substrat nourricier (C,N,P…) ABSORPTION + O2 CATABOLISME ANABOLISME METABOLISME + • 30 % • protoplasme • reproduction  20 % énergie 66 % 33 % Membrane bactérienne

38. lo’ FC – MC – fC – AP S M.V.S. l DBO5 C A B Temps Croissance exponentielle Croissance ralentie Phase endogène Domaine des boues activées Schéma simplifié de la réduction de la pollution par les bactéries en fonction du temps

39. META 102 à 5.102 /ml 104 /ml PROTO 109 /ml BACTERIES Edifice biologique • Bactéries : - croissance floculée - croissance dispersée - croissance filamenteuse • Protozoaires : - flagellés - ciliés (70 % des proto) - actinopodes (amibes) • Métazoaires : - rotifères - nématodes

40. Flocs et niches écologiques

41. Flocs et niches écologiques A – liquide interstitiel B – surface de floc C – débris organiques, intérieur du floc • Croissance bactérienne et zooflagellée proportionnelle à la pollution • Croissance bactérienne de surface des flocs (flore bactérienne floculée) • Faune typique des boues activées répartie en : • vorticelle exploitant les bactéries libres, mais ancrée dans la masse du floc, • hypotriche exploitant la surface du floc, • holotriche exploitant la surface du floc. • Faune dont la niche écologique est le liquide interfloc, tous les représentants sont bons nageurs. On distingue : • les bactériophages (indice de pollution), • les prédateurs de protozoaires (plutôt indice de faible pollution). • Faune détritivore = saprophage. Dévore une partie de la matière organique inerte, cadavres de protozoaires etc… Elle restitue une masse remaniée chimiquement au cours du transit intestinal.

42. Vieillissement relatif des habitants d’une boue activée  bactéries  zooflagellés  ciliés libres  ciliés fixés  rotifères Ce schéma fait apparaître clairement que les caractéristiques faunistiques d’une boue activée à un moment précis de son évolution sont : - l’espèce majoritaire de la biocénose - la diversité des espèces,présentes et leur fréquence relative

43. 3.3 : Le clarificateur

44. Le dimensionnement de cet ouvrage dépend surtout de trois facteurs : - le débit ( le débit maximum horaire ) - la concentration de boue dans le bassin d’aération - et l’aptitude de la boue à décanter Remarque : Les boues activées sont plus légères et plus volumineuse que les matières en suspensions dans les eaux brutes,et de ce fait,elles sédimentent plus lentement.

45. Principe de la décantation Boue composée de débris minéraux et végétaux,de colloïdes,d’éléments en suspension et en solution,et de micro organismes assurant l’épuration biologique. La décantation correspond à la séparation des deux phases eau-boue en deux temps: Floculation  sédimentation  création d’une interface de boue appelée «voile de boue»

46. Hauteur Temps Courbe de décantation Figure 1 : Tronçon A – B = phase de coalescence (floculation des particules) Tronçon B – C = sédimentation proprement dite : la vitesse de chute des particules est constante Tronçon C – D = phase dite « de compression »

47. Principaux facteurs influençant la décantation •  la nature de la boue ( IB ) •  concentration de la boue •  protocole retenu : taille de l’éprouvette • T°C ( viscosité,…) • pH… • Mesure de l’aptitude de la boue à la décantation: l’indice de boue. • Définition : c’est le volume qu’occupe 1 gr de boue après 30 minutes • de décantation statique.

48. On note une relation linéaire avec un VD30 < à 300 ml d’où pour des boues concentrées = dilution

49. Résultats Ib < 100 ml/g : les boues sédimentent facilement et sont bien minéralisées (MVS < 60 %) Ib ~ 100-150 ml/g : conditions normales de fonctionnement Ib > 200 ml/g : problèmes de mauvaise décantabilité. Ces valeurs sont liées : • - soit à une prolifération de bactéries filamenteuse (eau surnageante limpide)  fréquentes pertes de boues, accidentelles ou chroniques • - soit à des phénomènes de défloculation (eau surnageante trouble) dus à des variations physico-chimiques de la boue.

50. Utilisation de l’IB : • Pour l’évaluation et le dimensionnement des performances des décanteurs secondaires. • Pour la gestion des boues si l’Ib est stable. • Si l’indice est stable : • - élaboration d’une courbe d’étalonnage : • - tests de décantation en éprouvette à différentes concentrations • (100 < VD 30’<250 ml) • - traçage de la courbe d’étalonnage de la boue (calcul de l’Ib). • - vérification de la stabilité de l’Ib • - détermination de l’intervalle de concentration correspondant à un fonctionnement correcte de l’installation . • La courbe permet de calculer immédiatement la concentration en boue à partir du VD30’ obtenu (en tenant compte du facteur de dilution retenu pour ce test).