PRÉSENTATION D UNE INNOVATION EN TRAITEMENT DES EAUX ÉTUDE DE CAS Réacteur séquentiel discontinu avec micro organismes Anammox TRAITEMENT DE DÉ-AMMONIFICATION DES EAUX SECONDAIRES À LA STATION DE TRAITEMENT DES EAUX USÉES DE GUELPH DANS LE CADRE D UN PROJET D ÉLIMINATION DE L AMMONIUM À FAIBLE CONSOMMATION D ÉNERGIE Aperçu général Objectif: Réduire la charge en ammonium dans les filtres à l aide de la technologie de la dé ammonification par Anammox pour finalement réduire la charge d ammonium au niveau des ouvrages de prise d eau de la station de traitement des eaux usées de Guelph. Contexte du projet La station de traitement des eaux usées de Guelph a actuellement une capacité nominale de 64 mégalitres/jour. Elle assure le dégrillage et le dessablage préliminaires, le traitement primaire par sédimentation, le traitement secondaire par aération conventionnelle et prolongée des boues activées, ainsi que le traitement tertiaire à l aide de contacteurs biologiques rotatifs, suivi d une filtration sur sable. L effluent est désinfecté chimiquement avant la vidange dans le cours d eau récepteur. Les boues des clarificateurs primaires et les boues activées épaissies des clarificateurs secondaires sont stabilisées dans des digesteurs anaérobies primaires qui se déversent dans un digesteur anaérobie secondaire. Les boues digérées sont ensuite égouttées à l aide de filtres presses, puis le filtrat est recyclé à l entrée de la station.
Au cours d une révision visant à optimiser son système, la ville de Guelph (la Ville) a indiqué que la charge d ammonium dans le filtrat recyclé à l entrée de la station engendrait d importantes contraintes pour la station de traitement des eaux usées de Guelph, en raison des objectifs réglementaires rigoureux en matière d ammonium dans les effluents. En implantant un système de traitement des eaux secondaires et en éliminant l ammonium des boues du liquide d égouttage, les contraintes en matière d ammonium dans les boues principales seraient réduites. Cela permettrait ainsi à la station de traitement des eaux usées d accroître sa capacité et de reporter sa mise à niveau. Objectif du projet L objectif de ce projet est de mettre en œuvre un procédé de traitement des eaux secondaires à grande échelle, en ayant recours aux microorganismes Anammox pour réduire la concentration d ammonium dans le filtrat des digesteurs anaérobies en vue de permettre à la station de traitement des eaux usées de Guelph d atteindre ses objectifs en matière d ammonium dans les effluents, de manière plus constante tout en réduisant les coûts d exploitation inhérents à l élimination de l ammonium. L objectif du procédé de traitement des eaux secondaires est d éliminer plus de 90 pour cent de la charge d ammonium dans le filtrat entrant. La Ville prévoit également d utiliser le système de traitement des eaux secondaires par Anammox pour étudier, à l échelle d un projet pilote, l efficacité d une implantation de micro organismes Anammox développés dans le cadre d un procédé appliqué aux eaux secondaires dans un procédé conventionnel. Le processus appliqué aux eaux secondaires pourrait, une fois déployé à grande échelle, servir de source de micro organismes Anammox pour d autres stations de traitement des eaux usées en Ontario, qui sont train de mettre cette technologie en place. Technologie du projet Plusieurs procédés peuvent être utilisés pour atténuer les effets de l ammonium dans les boues des liquides d égouttage, incluant l égalisation des débits, les procédés physiques et chimiques, les procédés biologiques fondés sur la nitrification et la dénitrification conventionnelles, la nitrification et la dénitrification ou la déammonification par Anammox. Défis et solution L acclimatation des micro organismes Anammox a représenté un défi, attendu que leur rendement est fortement tributaire des conditions environnementales, à savoir le stockage avant l implantation, la température, l aération, la qualité du filtrat, etc. L automatisation du système de déammonification par Anammox peut être bénéfique, permettant une adaptation rapide du système sur la base de conditions existantes (incluant la variabilité du filtrat) durant la phase de mise en service et la phase d utilisation normale. L aération excessive dans les réacteurs séquentiels discontinus (RSD) réduit le rendement des microorganismes Anommox; elle peut être atténuée en mettant les RSD en mode «mixte», assurant ainsi une alternance entre l arrêt de l aération et le fonctionnement des agitateurs. Résultats La mise en service à la station de traitement des eaux usées de Gelph se poursuit. Les résultats du système se sont avérés encourageants et des projets pilotes pourront être lancés dès que les micro organismes Anammox se seront pleinement acclimatés. Le principe de la dé ammonification par Anammox est de convertir la moitié de l ammonium en nitrite à l aide de bactéries oxydantes d ammonium (BOA), puis de convertir le nitrite et l ammonium restant directement en azote au moyen de micro organismes Anammox. Le premier avantage de la dé ammonification est qu elle requiert près de 60 pour cent d oxygène de moins que la nitrification et la dénitrification conventionnelles. De plus, elle permet d éliminer tout l azote sans qu il ne soit nécessaire d utiliser d autres produits chimiques (carbone organique). Ainsi, la quantité de boues produites est inférieure à celle des boues produites par nitrification et la dénitrification. Le graphique 1 indique les similitudes et les différences entre la nitrification et la dénitrification conventionnelles et le procédé de dé ammonification par Anammox. Pour réussir, l implantation de la dé ammonification par Anammox exige une croissance synergique des microorganismes Anammox et des BOA dans des conditions environnementales qui favorisent tant l activité aérobique des BOA que l activité anoxique des micro organismes Anammox (anoxique signifiant l absence d oxygène, mais la présence de nitrite ou de nitrate). Les conditions aérobiques et anoxiques peuvent être créées par aération cyclique.
Illustration 1. Nitrification et dénitrification conventionnelles comparées au procédé de dé ammonification par Anammox. La ville a désigné CH2M HILL Canada Limited pour évaluer les technologies de dé ammonification exclusives offertes sur le marché. Le procédé DEMON a été recommandé en raison de la capacité de son équipement à assurer la santé des micro organismes Anammox et à retenir de manière sélective les micro organismes Anammox au dessus des autres bactéries suspendues en croissance et des solides présents dans le liquide d égouttage. Il est appliqué dans plusieurs installations à grande échelle en Europe. En outre, sa compatibilité avec un procédé d ensemencement conventionnel a été démontrée. La composante principale des installations exclusives DEMON est constituée de deux réacteurs séquentiels discontinus (RSD) équipés de panneaux d aération, d agitateurs, de bassins de décantation et de cyclones utilisés pour retenir de manière sélective les micro organismes Anammox dans les RSD. Défis et solutions Le principal défi de l implantation de la dé ammonification par Anammox est le fait que la technologie est relativement récente. La station de traitement des eaux usées de Guelph est la première installation au Canada à utiliser cette technologie; pavant ainsi la voie pour d autres municipalités. Le procédé DEMON est une installation exclusive qui comprend l équipement nécessaire et dispose de son propre automate programmable industriel (API). L intégration de cet API au système de supervision, de contrôle et d acquisition des données (SCADA) existant de la station de traitement des eaux usées de Guelph a soulevé un défi. Un deuxième API a été nécessaire pour assurer la communication entre l API DEMON, le système SCADA de la station et les appareils de contrôle auxiliaires propres au procédé Anammox. Ces retards de programmation ont affecté l échéancier de mise en service, ce qui a engendré deux défis importants. Les micro organismes d ensemencement Anammox étaient présents sur le site avant que le système ne puisse être mis en service. Une augmentation du délai pendant lequel les micro organismes Anammox sont présents dans un contenant sur le site entraîne une prolongation relativement importante de la période d acclimatation dans les RSD avant qu ils ne soient pleinement actifs. Ce fait, combiné à des températures froides inattendues en raison des retards de la mise en service a eu pour effet de prolonger l acclimatation des micro organismes Anammox au système. Un autre défi du système de la dé ammonification par Anammox est de contrôler la qualité du débit du filtrat dans les RSD, car cette qualité a une incidence significative sur le rendement du RSD. Puisque la station de traitement des eaux usées de Guelph est dotée de deux types de filtres presses à bande, la variabilité de la
qualité du filtrat fait partie inhérente de l utilisation de deux types de filtres presses à bande. Les procédés utilisés en amont dans les digesteurs anaérobies peuvent également toucher la qualité du débit du filtrat. Le système DEMON est doté de clapets de dérivation manuels qui peuvent être ouverts ou fermés manuellement pour diriger le filtrat vers l entrée de la station plutôt que vers les RSD pour un traitement de déammonification par Anammox. Durant la mise en service, la qualité du débit du filtrat dans les RSD a fait l objet d une surveillance particulière. Il a alors été établi que des clapets de dérivation automatisés seraient utiles pour pouvoir diriger le filtrat vers l entrée de la station s il est de piètre qualité et ainsi maintenir un environnement sain pour les microorganismes Anammox en phase d acclimatation. Il serait également bon que ces clapets soient activés en fonction de la qualité du filtrat et intégrés au système SCADA de la station lors des activités courantes en raison de la variabilité inhérente de la qualité du filtrat qui survient parfois. Résultats La mise en service d un système de dé ammonification par Anammox est toujours en cours et les travaux progressent en vue de l acclimatation des micro organismes Anammox. Le système sera pleinement opérationnel au printemps 2016. La station de traitement des eaux usées de Guelph exerce une étroite surveillance et un suivi attentif des concentrations d ammonium, de nitrite et de nitrate dans les effluents d entrée et de sortie du processus DEMON. L aération excessive peut entraîner des pointes de nitrites dans les RSD. Ce fait a été observé à l occasion par le personnel de la station durant la mise en service et a pu être atténué en mettant le RSD en mode «mixte», soit arrêter l aération tout en faisant fonctionner les agitateurs pour créer un environnement anoxique dans lequel les micro organismes Anammox peuvent œuvrer. L illustration 2 donne un exemple de cette opération en mode «mixte» durant la mise en service. Le 7 décembre 2015, le RSD n o 2 a été mis en mode «mixte» pour atténuer l aération excessive. Peu de temps après, une diminution dans les concentrations d ammonium et de nitrite, à des taux similaires, a été observée, indiquant ainsi l efficacité du système de traitement DEMON. Ensemencement des réacteurs séquentiels discontinus avec des micro organismes Anammox durant la mise en service
Résultats du procédé par Anammox dans le RSD n o 2 pendant la mise en service 7 décembre 2015: Le RSD n o 2 passe du mode aération au mode mixte Concentration des effluents du RSD (mg/l) Mode mixte RSD Application à d autres municipalités de l Ontario Illustration 2. Résultats du RSD n o 2 pendant la mise en service Les technologies de dé ammonification comme DEMON permettent de réduire l ammonium de manière plus rentable dans toutes les stations de traitement des eaux usées de l Ontario. D autres municipalités pourront tirer des leçons de défis et des solutions de ce projet et intégrer ces connaissances à d'autres projets de déammonification par Anammox.
Par ailleurs, une fois les micro organismes Anammox pleinement acclimatés à la station de traitement des eaux usées de Guelph, il est possible que cette installation serve de source d ensemencement pour d autres collectivités qui ont recours à la dé ammonification par Anammox. Le traitement des eaux secondaires par Anammox a également le potentiel de devenir une technologie généralisée. Si l étude pilote menée à la station de traitement des eaux usées de Guelph démontre qu une application généralisée des micro organismes Anammox est viable, cela pourrait changer de façon drastique la manière dont les eaux usées sont traitées en Ontario et ailleurs dans le monde. Remerciements Consultants du projet : CH2M HILL Canada Limited Partenaires du gouvernement : Ministère de l Environnement et de l Action en matière de changement climatique Ce projet a obtenu le soutien financier du gouvernement de l Ontario. Cet appui n indique nullement que le gouvernement de l Ontario approuve le contenu de ce document. Pour plus de détails Si vous avez des questions ou si vous désirez en apprendre davantage au sujet du projet Anammox, veuillez communiquer avec: Kiran Suresh, B.Eng., PMP, directrice d usine, Services des eaux usées de la ville de Guelph 519 822 1260 poste 2960 kiran.suresh@guelph.ca Jamie Jupp, M.Eng., P.Eng., Chargé de projet, CH2M HILL Canada Limited 519 579 3500 poste 73202 james.jupp@ch2m.com