PRINCIPES et THEORIE DE L EPURATION BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES Application aux milieux granulaires fins 1 EPURATION DES EAUX RESIDUAIRES le Problème Matière Organique CHONSP Azote Phosphore Mais aussi Et aussi Cu, Pb, Hg, Cd, Ni, Zn, Cr, As... Les germes Et encore Et même Les perturbateurs endocriniens, les résidus médicamenteux 2 1
Différentes formes de pollution Pollution carbonée: [CHO] DCO / DBO5 / MES / MVS Pollution azotée: [N-Nréduit] N-NO2 N-NO3 Pollution phosphorée: [Ptotal] Ptotal P-PO4 3 STATION D EPURATION Dopage Amélioration contrôle exaltation Gestion de phénomènes naturelles Auto-épuration en rivière Épuration par bactéries libres (boues activées) Épuration par le sol Épuration par bactérie fixées (lit bactérien, filtre) EPURATION BIOLOGIQUE AEROBIE 4 2
Assainissement: principe oxygène bactéries Les BOUES 5 Élimination de la pollution carbonée: équations globales Catabolisme C 7 H 11 NO 3 +15/2O 2 7CO 2 +4H 2 O+NH 3 +Energie Anabolisme Energie+2NH 3 +5C 7 H 11 NO 3 +5/2O 2 7C 5 H 7 NO 2 +6H 2 O Pollution (C 7 H 11 NO 3 ) + O2 Biomasse(bactéries) + CO2+H2O+ Auto-oxydation C 5 H 7 NO 2 +5O 2 5CO 2 +H 2 O+NH 3 + résidus 6 3
Élimination de la pollution azotée équations globales nitrification réaction globale NH 4+ + 1,83 O 2 + 1,98 HCO 3-0,02 C 5 H 7 NO 2 + 1,04 H 2 O + 0,98 NO 3- + 1,88 H 2 CO 3 Nitritation (Nitrosomonas) NH4+ + 1,5 O2 NO2- + 2 H+ + H2O Nitratation (Nitrobacter) NO2- + 0,5 O2 NO3 - consommation de 4,18 Kg d O2 par Kg de N nitrifié production de 170g de biomasse par Kg de N nitrifié consommation de 7,14 g CaCO3 / g N-NH4+ nitrifié 7 Élimination de la pollution azotée équations globales dénitrification réaction globale: ( Bacillus, Pseudomonas, chromobacter...) 0,61C 18 H 19 NO 9 + 4,5 NO 3- + 0,39 NH 4+ + 4,15 H 3 O + C 5 H 7 NO 2 +2,27 N 2 + 5,98 CO 2 + 9,3 H 2 O NO3- NO2- NO N2O N2 dégradation de substrat carboné équivalent à celui obtenu avec 2,85 Kg d O2 par N-NO3 réduit production de 1,8 Kg de biomasse par Kg de N dénitrifié production de 3,57 g CaCO3/g N-NO3 - réduit La formule C10H19O3N est parfois utilisée pour décrire la matière organique C 10 H 19 O 3 N + 10 NO - 3 5 N 2 + 10 CO 2 + 3 H 2 O + NH 3 + 10 OH - 8 4
Critères d élimination de l Azote Nitrification: Carbone Oxygène Dénitrification: nitrate Carbone oxygène Conditions contradictoires aisées à réaliser en boues activées (syncopage de l aération, anoxie en tête)mais plus difficiles à obtenir avec des procédés avec bactéries fixées 9 FORMULES CHIMIQUES DE LA BIOMASSE proportion dans la biomasse composition de la biomasse P % N % C 118 H 170 O 51 N 17 P 2 2,3 8,8 C 61 H 102 O 26 N 9 P 2,2 9,0 C 60 H 87 O 23 N 12 P 2,3 12,2 C 5 H 7 O 2 N - 12,4 (*) : 70% de MVS dans les MES proportion dans les MES (*) composition de la biomasse P % N % C 118 H 170 O 51 N 17 P 2 1,6 6,2 C 61 H 102 O 26 N 9 P 1,5 6,3 C 60 H 87 O 23 N 12 P 1,6 8,6 C 5 H 7 O 2 N - 8,7 10 Comp. Biomasse.xls 5
RENDEMENTS D ÉLIMINATION DU PHOSPHORE PAR ASSIMILATION 0,70 Evolution du rendement d'élimination du phosphore par assimilation en fonction des quantités spécifiques émises (hypothèses: 60g de DBO/EH.J, Rdt: 90%, tx de conversion MES/DBO: 0,9, teneur en P des boues 2%) traitement biologique: rendement par assimilation 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Rejet métabolisme humain 0,00 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 11 émission de phosphore (g/eh.j) Cout traitement et assimilation du phophore.xls Elimination du phosphore (classique) Traitement biologique anaérobie en tête rendement maximum de 50-60% difficile à maintenir (pluie, retour avec O 2, NO 3..) relargage si stockage des boues en anaérobie Traitement physico-chimique pré-; co-;post-précipitation avec Al, Fe, Ca rendement élevé (1mg/L sans filtration?) investissement faible mais augmentation significative des quantités de boue 12 6
PRINCIPE DE L ÉLIMINATION BIOLOGIQUE Memotec 23 13 Déphosphatation biologique - PAO: stock de PolyPhosphate +AGV Energie + PHA - PolyPhosphate: métabolisé en PO 4 Anaérobie Aérobie cellule PO 4 extracellulaire NAD PHA Concentration Poly-β Hydroxy Alcanoates cellulaires carbohydrate cellulaire Acides Gras Volatils Temps de séjour glycogène Poly P NADH Acétyle-Co ADP ATP 14 PO 4 AGV 7
ELIMINATION BIOLOGIQUE DU PHOSPHORE ANAEROBIE AEROBIE P-PO4 (mg/l) P.relargué P.réabsorbé P.suraccumulé P.assimilé 0 50 100 150 200 250 temps de contact en anaérobiose (mn) Déphosphatation biologique P réabsorbé = P relargué + Passimilé + P suraccumulé Élimination biologique de P 15 PRÉCIPITATION DU PHOSPHORE Produits chimiques de précipitation: Al, Fe, Ca Al 3+ + PO 4 3- AlPO 4 Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 3HPO 4 2- + 5 Ca 2+ + 4 OH - Ca 5 OH(PO4) 3 + 3 H 2 O Cas du chlorure ferrique FeCl 3 + PO 3-4 FePO 4 + 3 Cl - FeCl 3 + 3 H 2 O Fe(OH) 3 + 3 HCl. Fe/P = 56/31 = 1,81 Réaction parasite Fe/P>1. 16 8
Pré-précipitation co-précipitation post-précipitation 17 DÉPHOSPHATATION BIOLOGIQUE: SURPRODUCTION DE BOUES composition de la biomasse sans déphosphatation biologique C 118 H 170 O 51 N 17 P 1,2% C 61 H 102 O 26 N 9 P 2,3% C 60 H 87 O 23 N 12 P 2,3% % de P (en masse) avec déphosphatation biologique augmentation masse de boue produite 6% * 3% environ *Littérature: 5%--6% 18 9
BOUES ACTIVÉES FAIBLE CHARGE ET ÉLIMINATION DU PHOSPHORE PAR TRAITEMENT BIOLOGIQUE + CO-PRÉCIPITATION Bassin anaérobie temps de séjour: 4 h Précipitation simultanée Boues activées faible charge 19 RÉTENTION DU PHOSPHORE (CLASSIQUE) Traitement biologique anaérobie en tête rendement (maximum?) de 50-60% difficile à maintenir (pluie, retour avec O 2, NO 3..) relargage si stockage des boues en anaérobie Traitement physico-chimique pré-; co-;post-précipitation avec Al, Fe, Ca rendement élevé (1mg/L sans filtration?) investissement faible mais augmentation significative des quantités de boue 20 10
rétention du phosphore (milieu granulaire) Assimilation bactérienne: faible à long terme Exportation par les végétaux: très faible, faucardage nécessaire rétention par adsorption/précipitation/échange ionique: par les composés naturellement présents dans le milieu:al, Fe, Ca [hydroxyapatite:ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 ],... incorporation de composés spécifiquement ajoutés 21 Intérêt des apatites Voie à explorer Bonne cinétique de rétention Formation d un précipité stable Possibilité d atteindre des rejets < à 0,1 mgp soluble /L? Récupération éventuelle du phosphore Cf graphe plus haut Précipité hétérogène de phosphate sur apatite (Ca/P=1,67 pour l apatite) D après P. Molle 22 11
RÉTENTION DU PHOSPHORE (MILIEU GRANULAIRE) Massif planté ou non Assimilation bactérienne: faible à long terme Exportation par les végétaux: très faible, faucardage nécessaire rétention par adsorption/précipitation/échange ionique: par les composés naturellement présents dans le milieu:al, Fe, Ca [hydroxyapatite:ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 ],... incorporation de composés spécifiquement ajoutés Reste à ce jour expérimental 23 Cas particulier les milieux granulaires fins 24 12