Etude des performances et optimisation d'un réacteur cascade à biomasse hybride pour le traitement des eaux usées urbaines

Discipline

Chimie et Microbiologie de l'Eau

Classification

Chimie, minéralogie, cristallographie,

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

pollution et polluants, décontamination, eaux usées, boues activées, dénitrification

Mots-clés

Eaux usées -- épuration - Thèses et écrits académiques,

écologie des eaux usées - Thèses et écrits académiques,

Eaux usées -- épuration - Thèses et écrits académiques,

Nitrification - Thèses et écrits académiques,

Hydraulique - Thèses et écrits académiques

Afin de résoudre les problèmes liés à la surcharge organique de certaines stations et d'améliorer plus généralement les performances épuratoires vis-à-vis de la pollution azotée et phosphorée, la transformation des stations de traitement à boues activées peut être envisagée avec l'adjonction dans le bassin d'un support de microorganismes. On couple alors à une culture libre d'un réacteur un système à culture fixée ; le procédé est dit « hybride ». Un Réacteur Cascade à Biomasse Hybride (RCBH) est un nouveau réacteur multi-étagé au sein duquel l'effluent circule alternativement de manière ascendante et descendante et dans lequel sont immergés des matériaux supports de développement d'un biofilm bactérien. Ce type de réacteur hybride, doit permettre l'amélioration du traitement du carbone organique, le couplage au sein du même bassin des réactions de nitrification et de dénitrification biologique, avec une amélioration de la décantabilité des boues (minimisation du « bulking »filamenteux grâce au type d'écoulement choisi dans le réacteur). Les objectifs de ce travail ont été d'étudier les performances du RCBH afin d'évaluer les possibilités de réduction des dimensions des installations de type boues activées tout en permettant un traitement du carbone et de l'azote. Quatre réacteurs aérés de même volume utile, alimentés soit par un effluent synthétique soit par un effluent réel, ont été comparés en terme de performances : un réacteur parfaitement agité en culture libre (RPA), un réacteur cascade en culture libre (RC), un réacteur hybride dans un bassin parfaitement agité (RPABH) et un réacteur cascade avec support bactérien (RCBH). (Pour ce dernier réacteur, le fonctionnement avec des conditions aérobie-anoxie a également été étudié). L'hydrodynamique des réacteurs a été caractérisée afin d'en évaluer la contribution sur l'élimination des pollutions carbonées et azotées, et sur la décantabilité de la boue. Dans un second temps, les conditions de fonctionnement des réacteurs ont été modifiées afin d'apprécier leur importance sur les mécanismes d'élimination du carbone et de l'azote : charge massique, charge volumique en azote, temps de séjour hydraulique, âges des boues. Enfin, les paramètres régissant les performances de l'élimination du carbone, les réactions de nitrification et de dénitrification ont été étudiés pour des conditions expérimentales contrôlées et maintenues pendant de longues périodes de fonctionnement. Dans ces conditions, lors d'une alimentation avec un effluent urbain, les rendements de l'élimination de la DCO totale dans les réacteurs RPA, RPABH, RC et RCBH sont respectivement de 89, 92, 91 et 93% et dans le même ordre, les rendements de l'élimination de l'azote ammoniacal sont respectivement de 20, 29, 88 et 89%. Les modifications de l'hydrodynamique et la mise en œuvre de la biomasse dans le bassin d'aération aboutissent à l'amélioration des performances épuratoires de l'installation. La configuration d'un RCBH séquencé aérobie-anoxie avec deux compartiments d'anoxies en tête est optimisée pour obtenir une concentration en DBO5 inférieure à 30 mgO2.L-1 et une concentration en azote total inférieure à 10 mgN.L-1 dans le rejet. La configuration compartimentée du bassin d'aération facilite la mise en place des zones aérobies- anoxies dans le réacteur et permet l'élimination de 90% de la pollution azotée (azote kjeldahl). Cette valeur est de 38% pour un système classique dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, la configuration du réacteur cascade permet de mettre en place la nitrification-dénitrification dans un même réacteur.