L'Invention est relative à une installation de traitement de l'azote contenu dans les eaux usées d'origine urbaine ou industrielle.

Les eaux usées contiennent différents composés azotés tels que des protéines, des acides aminés, des aminés, de l'urée, des sels d'ammonium. L'élimination de cette pollution azotée est classiquement effectuée par l'action de certaines bacté¬ ries, lors d'un processus connu sous, le nom de nitrifica¬ tion/denitrification.

La première partie de ce processus, ou nitri- fication, se déroule en conditions aérobies ; l'azote ammoniacal est oxydé en nitrites par des bactéries telles que les Nitrosomonas, puis en nitrates par des bactéries du type Nitrobacter.

Le deuxième stade de ce processus, la dénitri- fication, s'effectue en conditions anaérobies. En l'absence d'oxygène, des bactéries hétérotrophes, anaéro¬ bies facultatives, tirent leur énergie de la réduction des nitrates en nitrites, puis en azote.

Au cours de cette étape, les bactéries déni- trifiantes utilisent également un substrat carboné comme donneur d'électron. Ce processus contribue donc également à l'élimination de la DBO des eaux traitées.

L'ensemble du processus de nitrification/ denitrification est très sensible à différentes variables du milieu réactionnel ; le pH, la température, le poten¬ tiel d'oxydoréduction, la présence d'oxygène (qui inhibe la denitrification). Ces variables sont sous l'influence de conditions extérieures telles que le climat, ou la composition des effluents à traiter, et dépendent égale- ment des différentes souches bactériennes présentes dans le milieu réactionnel.

Un équilibre entre ces souches doit être établi à chaque étape pour maintenir, en particulier, des conditions de pH et de potentiel d'oxydoréduction satis¬ faisantes. Traditionnellement, les procédés de nitrification/denitrification sont mis en oeuvre dans des bassins à boue activée. Toutefois, ces équipements ne fonctionnent de façon satisfaisante qu'à faible charge (0,2 à 0,3 kg d'azote transformé/m ^* ^ de réacteur/jour pour l'étape de nitrification ; 1 à 1,5 kg d'azote trans¬ formé/m ³ réacteur/ our pour l'étape de denitrification).

Des réacteurs à lit bactérien fixe ont égale¬ ment été développés. Ces équipements peuvent fonctionner à des charges 5 fois plus élevées que les précédents. Toutefois, le gain de compacité ainsi obtenu n'est pas suffisant pour permettre le traitement d'effluents sur les sites industriels, où la surface au sol disponible est faible.

D'autre part, l'utilisation de réacteurs à lit bactérien fluidisé a été proposée pour éliminer la pollu¬ tion carbonée. Ces réacteurs présentent l'avantage d'avoir un encombrement au sol bien moindre que les bas¬ sins à boue activée et les réacteurs à lit bactérien fixe, tout en permettant des taux d'épuration de la pol- lution comparables.

La Demande de Brevet Européen 0090 450 au nom de GIST-BROCADES qui a pour objet un réacteur à lit bac¬ térien fluidisé, cite en art antérieur différentes réali¬ sations effectuées dans ce domaine, et indique également les problèmes posés sur l'utilisation des lits fluidises biologiques.

Ces problèmes résident essentiellement dans la difficulté d'assurer une fluidisation homogène des par¬ ticules constituant le lit fluidisé, ainsi qu'une fixa- tion optimale des bactéries sur ces particules, en une couche ni trop mince, ni trop épaisse, l'ensemble devant

assurer des conditions optimales pour la meilleure dégra¬ dation du substrat (effluents à traiter) par les bactéries.

Il apparaît toutefois que les solutions décrites ci-dessus concernent essentiellement des instal¬ lations de traitement de la pollution carbonée, et ne sont pas directement adaptables au traitement de la pollution azotée, qui fait appel a d'autres microorga¬ nismes, exigeant des conditions différentes . COOPER et al. [BIOLOGICAL FLUIDISED BED TREAT¬

MENT OF WATER AND WASTEWATER, Ed. ELLIS HORWOOD LTD, (GB) ] décrivent une installation de nitrification/ deni¬ trification des eaux usées, qui comprend :

- un réacteur de nitrification et un réacteur de denitrification, tous deux à lit fluidisé constitué de particules de sable ;

- un circuit permettant d'assurer la circula¬ tion de l'effluent entre les deux réacteurs ;

- et un circuit permettant de recycler vers le réacteur de denitrification une partie de l'effluent en sortie du réacteur de nitrification.

Toutefois, un lit fluidisé constitué de parti¬ cules de sable ne constitue pas un support optimal pour la fixation des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes. Les Inventeurs ont orienté leurs travaux vers la recherche de supports pouvant être fluidises de manière homogène tout en offrant de bonnes conditions de fixation des bactéries, et ont maintenant mis au point un dispositif de traitement des eaux, spécialement adapté pour la mise en oeuvre des processus de nitrification/ denitrification biologiques.

La présente Invention a pour objet une instal¬ lation de nitrification/denitrification biologique pour le traitement des eaux usées, comprenant au moins un réacteur de nitrification et un réacteur de denitrifica¬ tion dont l'un au moins est à lit fluidisé, un circuit de

recyclage associé à chaque réacteur, et un circuit per¬ mettant d'assurer la communication entre les deux réac¬ teurs, chacun de ces circuits étant muni d'un dispositif de contrôle du débit, ainsi que des moyens usuels d'apport et de rejet des effluents et des gaz et de contrôle du processus, laquelle installation est caracté¬ risée en ce que dans chacun des réacteurs montés en double cascade, la biomasse est fixée sur un lit flui¬ disé constitué par des particules poreuses, de densité spécifique comprise entre 1700 et 3000 kg/m ³ , de poro¬ sité massique totale comprise entre 300 et 700 mm ³ /g, et de granulométrie moyenne comprise entre 200 et 600 μm pour le réacteur de nitrification et 400 et 1000 μm pour le réacteur de denitrification. Les circuits de recyclage permettent d'optimiser les conditions hydrauliques dans chacun des réacteurs, en permettant la régulation de la fluidisation et contribuent à assurer, dans chaque réacteur, des conditions optimales de pH, et de dilution des différents formes d'azote présentes dans l'effluent.

Les caractéristiques du support poreux sur lequel sont fixées les bactéries ont été choisies en fonction des besoins spécifiques des bactéries nitri¬ fiantes et dénitrifiantes, pour leur assurer les eil- leures conditions de croissance et d'action.

Selon un mode de réalisation préféré de 1'Invention, la porosité massique totale du support de fixation des bactéries est la somme :

- d'une porosité correspondant à des pores de diamètre inférieur à 1μm comprise entre 60 et 110 mm /g,

- d'une porosité correspondant à des pores de diamètre compris entre 1 et 10 μ comprise entre 20 et 40 mm /g,

- d'une porosité correspondant à des pores de diamètre supérieur à 10 μm comprise entre 310 et

550 mm /g.

Selon une disposition préférée de ce mode de réalisation, le support de fixation des bactéries est constitué par de l'argile cuite broyée.

Les Inventeurs ont constaté en effet que, de façon surprenante, l'argile cuite généralement utilisée pour la réalisation de revêtements de cours de tennis, convenait particulièrement pour la réalisation du support de fixation des bactéries.

L'Invention englobe l'utilisation de parti- cules poreuses telles que définies ci-dessus, non seule¬ ment dans le dispositif conforme à l'Invention, mais éga¬ lement dans tout autre type de réacteur à lit fluidisé, pour la fixation des bactéries nitrifiantes et dénitrifiantes. L'Invention a également pour objet un procédé de purification des eaux usées, lequel procédé est caractérisé :

- en ce qu'il utilise une installation compre¬ nant un réacteur de nitrification et un réacteur de déni- trification à lit fluidisé constitué de particules poreuses telles que définies ci-dessus ;

- en ce que, dans le réacteur de nitrifica¬ tion, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de manière à obtenir une concentration en biomasse, de 10 à 15 g/1 et une épaisseur de biofilm comprise entre 10 à 20 μm ;

- et en ce que, dans le réacteur de denitrifi¬ cation, les conditions de croissance des bactéries sur le support solide sont contrôlées de façon à obtenir une concentration en biomasse de 15 à 30 g/1 et une épaisseur de biofilm comprise entre 100 et 250 μm.

Selon un mode de mise en oeuvre préféré de ce procédé : il utilise l'installation de nitri- fication/dénitrification conforme à l'Invention ;

- le débit de l'effluent à traiter et/ou le débit de 1'effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisa- tion comprise entre 10 et 30 m/h. - le débit de l'effluent provenant du réacteur de nitrification et/ou le débit de l'effluent provenant du circuit de recyclage sont régulés de façon à assurer une vitesse de fluidisation comprise entre 25 et 70 m/h.

La présente Invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère, d'une part aux dessins annexés et d'autre part, à un exemple de réalisation et d'utilisation d'une instal¬ lation conforme à l'Invention.

Il va de soi toutefois que les dessins annexés et 1'exemple qui va suivre sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.

La figure 1 représente une installation conforme à l'Invention. Une canalisation (1) assure l'arrivée de

1'effluent provenant du réacteur de denitrification dans un distributeur (2) placé au fond du réacteur de nitrifi¬ cation (3) contenant les particules solides (4) sur lesquelles sont fixées les bactéries nitrifiantes. Un circuit d'aération (5) assure l'apport d'air dans ce réacteur. Un circuit de recyclage (6) qui peut être ouvert ou fermé à volonté s'ouvre en sortie du réacteur et aboutit dans le distributeur (2) . Un conduit (7) permet la sortie de l'air appauvri en oxygène. Un circuit (8) permet le recyclage d'une partie de l'effluent traité vers le dispositif de distribution (9) placé en base du réacteur de denitrification (10) . Une conduite (15) permet l'évacuation de l'effluent traité.

Le réacteur de denitrification est également pourvu d'un circuit de recyclage (11), d'un circuit (12) permettant l'apport d'un substrat carboné (par exemple

l'effluent brut), d'une sortie (13) des gaz résultant de la fermentation (N2 + CO2), d'une entrée (14) de l'effluent à traiter et d'une sortie (1) de l'effluent vers le réacteur de nitrification (3) . EXEMPLE DE REALISATION D'UNE INSTALLATION CONFORME A

L'INYBNTIQN

A. - CARACTERISTIQUES DE L ' EFFLUENT A TRAITER

ORIGINE DE L ' EFFLUENT : PROCESS CHIMIQUE, NOTAMMENT PETROCHIMIE, NUCLEAIRE OU PHARMACIE

Effluent : Rejet de la station d'épuration de l'usine (sortie clarificateur) avec fourniture éventuelle de DCO complémentaire pour l'étape de denitrification, par apport d'effluent brut en sortie de neutralisation

- EFFLUENT A TRAITER

- EFFLUENT D'APPORT DE DCO (entrée station après neutralisation) - Valeurs moyennes

B. - OBJECTIF DE QUALITE POUR L'EFFLUENT TRAITÉ

L ' obj ectif de qualité de l ' effluent en sortie de traitement doit correspondre, à une teneur résiduelle en N total de 38 mg/1.

On vise donc des taux d'élimination de 1'azote proches de 85% par rapport à la valeur moyenne de l'effluent à traiter (300 mg/1 de NH soit 235 mg/1 de N) . C - EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT ET DE CONDITIONS DE FONC¬ 1) Fβr enteur de nitrification

1.1. - Dimensionnement du fermenteur de nitri- fioation . Charge volumétrique maximale en azote

N-NH ⁺ / ³ de support fluidisé/j

Quantité maximale d'azote traitée :

N-NH ₄ ⁺ /j

. Volume de support fluidisé : environ . Diamètre du fermenteur : environ

. Volume total du fermenteur :

. Volume en eau :

. Taux d'expansion du lit fluidisé : 2

1.2. - Support de la biomasse nitrifiante Argile cuite brovée (valeurs moyennes)

- Granulométrie : 350 μm

- Densité spécifique : 2000 kg/m ³

- Porosité massique totale : 500 mm ³ /g

- Porosité < 1 μm: 80 mm ³ /g - 1 μm < Porosité < 10 μ : 30 mm ³ /g

- Porosité > 10 μm : 400 mm ³ /g

1.3 - conditions de fonctionnement du fermen¬ teur de nitrification

. Conditions de fonctionnement hydrauliques : Taux de recyclage entre les 2 fermenteurs : Q = 9

Qa

Le Rapport O = débit de recyclage

Qa débit d'alimentation conditionne en effet le taux d'épuration sur l'azote total, puisque le rejet de l'effluent traité s'effectue au niveau du réacteur de nitrification : pour obtenir un

taux d'épuration sur l'azote total > 85%, il faut :

0 ≥ 8,5 Qa

- à la charge volumétrique maximale prévue (4 kg de N-NH ₄ /m ³ , de support fluidisé/j) le débit d'effluent maximum est d'environ 75 m /j.

Le temps de séjour minimum de l'effluent dans la zone fluidisée est, dans ces conditions, d'environ 8 minutes. La vitesse de passage correspondante est de l'ordre de 20 m/h ; cette vitesse est suffisamment élevée pour assurer la fluidisation.

Le débit horaire correspondant est de 30 m /h environ. Pour obtenir une fluidisation correcte avec une vitesse de 20 m/h, les conditions suivantes ont été retenues:

. Masse volumétrique du support : Pp = 2200 kg/m ³

. Granulométrie du support : 300 - 500 μm . Taux d'expansion moyen du lit fluidisé : 1,5

1-4 - C n i ions de culture de la biomasse nitrifiante :

. pH régulé : valeur mini : 6 ; valeur maxi 7,5

. Température régulée : mini : 15 ^* C - maxi 35 "C . Apport d'oxygène :

La nitrification met en oeuvre 2 réactions biochimiques :

NH ₄ ⁺ -3/2 0 ₂ → N0 ₂ ^" + H ₂ 0 + H ⁺ (Nitrosomonas)

N0 ₂ - + 1/2 0 ₂ → N0 ₃ ^" soit une consommation théorique de 2 moles d'0 ₂ par mole de NH ₄ ⁺ oxydée.

Pour 300 mg de NH ⁺ par litre d'effluent, les besoins théoriques en 0 ₂ sont donc d'environ : 1000 mg d'0 ₂ par litre d'effluent traité, soit pour le débit maximum d'effluent prévu, un besoin en 0 ₂ de 2,5 Nm3 d'0 ₂ /h.

L'oxygénation étant réalisée par apport d'air, en prenant en coefficient d'oxygénation de 10%, le débit d'air nécessaire est d'environ 120 Nm ³ /h d'air. De façon à ne pas perturber la fluidisation, on utilisera un dispositif d'oxygénation générant des microbulles et on veillera à maintenir une teneur minimale de 2 mg/1 en 0 dissous dans le fermenteur de nitrification. 2) Fermenteur de fléaitrification 2.1. - Di ensionnement du fermenteur de déni- trification

. Charge volumétrique maximale en azote : environ 20 kg

N-Nθ3 ^~ /m de support fluidisé/j

. Quantité maximale d'azote traitée : environ 16 kg

N-N0 ₃ /j . Volume de support fluidisé : environ 1 m ³

. Diamètre du fermenteur : 0,8 m

. Hauteur totale du fermenteur : 3 m

. Volume total du fermenteur : 1,5 m ³

. Volume en eau : 1,35 m ³ . Taux d'expansion maximum du lit fluidisé : 2

2.2. - Support de la biomasse dénitrifiante

Arσile cuite brovée Granulométrie moyenne : 650 μm.

Les autres caractéristiques sont identiques à celles du support utilisé pour la biomasse nitrifiante.

2.3 - Conditions de fonctionnement du fermen¬ teur de denitrification

. Conditions de fonctionnement hydrauliques :

- Débit maximum d'effluent traité : Qa = 75 m ³ /j - Débit maximum à l'entrée du fermenteur : environ 30 m ³ /h

- Temps de séjour minimum de l'effluent dans la zone fluidisée de 1'ordre de 2 mn

- Vitesse de passage correspondante : environ 60 m/h Cette vitesse élevée permettra la fluidisation sous réserve d'utiliser un support de granulométrie

élevée. Les conditions de fluidisation retenue sont les suivantes : .

. Masse volumétrique du support : Pp = 2200 kg/m ³ . Granulométrie du support : 600 - 1000 μm 2.4. - Conditions de culture de la biomasse dénitrifiante :

. pH régulé : valeur mini : 6,5 à 7,5

. Température régulée : mini : 15 ^* C - maxi 35 ^* C

. Teneur en 0 ₂ dissous dans l'eau ≤ 1 mg/1 . Apport de carbone :

Pour assurer une denitrification complète de l'effluent entrant dans le fermenteur de denitrification, un apport de carbone est nécessaire. On prend comme base un rapport

PCQ = 3 N-N0 ₃ qui est suffisant sous réserve que la DCO soit assimi¬ lable par les microorganismes dénitrifiants.

Si un appoint en DCO est nécessaire il sera effectué sous forme d'effluent brut. II doit être bien entendu que l'exemple qui précède ne représente qu'un mode particulier de réalisation et de mise en oeuvre d'une installation conforme à l'Invention.

L'Invention ne se limite nullement à ce mode particulier de réalisation ; elle en englobe au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à 1'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente Invention.