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This article was downloaded by: [UQ Library] On: 05 November 2014, At: 02:35 Publisher: Taylor & Francis Informa Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK Environmental Technology Letters Publication details, including instructions for authors and subscription information: http://www.tandfonline.com/loi/tent19 Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique O. Saintpierre a a C.R.I.T.E.R. — S.I.A.A.P., 82 avenue Kleber, 92700, Colombes, France Published online: 17 Dec 2008. To cite this article: O. Saintpierre (1988) Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique, Environmental Technology Letters, 9:10, 1059-1072, DOI: 10.1080/09593338809384669 To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/09593338809384669 PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE Taylor & Francis makes every effort to ensure the accuracy of all the information (the “Content”) contained in the publications on our platform. However, Taylor & Francis, our agents, and our licensors make no representations or warranties whatsoever as to the accuracy, completeness, or suitability for any purpose of the Content. Any opinions and views expressed in this publication are the opinions and views of the authors, and are not the views of or endorsed by Taylor & Francis. The accuracy of the Content should not be relied upon and should be independently verified with primary sources of information. Taylor and Francis shall not be liable for any losses, actions, claims, proceedings, demands, costs, expenses, damages, and other liabilities whatsoever or howsoever caused arising directly or indirectly in connection with, in relation to or arising out of the use of the Content. This article may be used for research, teaching, and private study purposes. Any substantial or systematic reproduction, redistribution, reselling, loan, sub-licensing, systematic supply, or distribution in any form to anyone is expressly forbidden. Terms & Conditions of access and use can be found at http:// www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions

Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique

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Page 1: Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique

This article was downloaded by: [UQ Library]On: 05 November 2014, At: 02:35Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House,37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK

Environmental Technology LettersPublication details, including instructions for authors and subscription information:http://www.tandfonline.com/loi/tent19

Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire surmateriau plastiqueO. Saintpierre aa C.R.I.T.E.R. — S.I.A.A.P., 82 avenue Kleber, 92700, Colombes, FrancePublished online: 17 Dec 2008.

To cite this article: O. Saintpierre (1988) Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique,Environmental Technology Letters, 9:10, 1059-1072, DOI: 10.1080/09593338809384669

To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/09593338809384669

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Page 2: Lit bacterien immerge de nitrification tertiaire sur materiau plastique

Environmental Technology Letters, Vol. 9, pp. 1059-1772©Publications Division Selper Ltd., 1988

LIT BACTERIEN IMMERGE DE NITRIFICATION TERTIAIRESUR MATERIAU PLASTIQUE

TERTIARY NITRIFYING IMMERGED BIOFILTER WITHPLASTIC MEDIA

O. SaintpierreC.R.I.T.E.R. - S.I.A.A.P., 82 avenue Kleber, 92700 Colombes, France

(Received 1 March 1988; in final form 25 May 1988)

ABSTRACT

A fine (10 nun) p l a s t i c medium p a r t i c l e used to f i x the n i t r i f y i n gbacteria was implemented as a submerged biological f i l t e r in atertiary nitrification pilot plant. A specific nitrification rate of0.8 kg NH4+-N.m3.d-1 at 20°C was steadily obtained. Suspended Solidsfiltration and Chemical Oxygen Demand elimination were studied. Thehydraulic behavior of the medium seems to be the hindering factor inthe optimal plant operation, mainly because of the poor hydraulicreplacement of substrates at the biofilm surface when the medium isnot in motion.

INTRODUCTION

L'élimination de l'ammoniaque des eaux résiduaires, principa-lement dans le cadre des stations d'épuration de grande dimension,demeure un problème préoccupant. Dans un système à boues activées, unâge de boue supérieur à tre i z e jours (à 12°C) est indispensable aumaintien de la population n i t r i f i c a t r i c e (1) . Ces conditions ne sontpas réunies dans le cas des boues activées forte charge u t i l i s é e sfréquemment dans les stations d'épuration de grande dimension.

Si le fonctionnement en forte charge doit être maintenu, lamodification d'une t e l l e s t a t i o n d'épuration en .vue de lan i t r i f i c a t i o n peut êtr e imaginée s o i t par modification des bassins deboues activées existants en y incorporant un matériau de fixation desbactéries n i t r i f i a n t e s , soit par ajout d'une étape spécifique denitrification tertiaire à l'étape d'épuration carbonée.

L'incorporation d'un matériau de fixation au sein d'une boueactivée forte charge n'a été que peu expérimentée jusqu'à maintenant(2,3,4). Les résultats en nitrification, disponibles actuellement,indiquent une élimination de l'ammonium à des charges volumiquesintéressantes (4) . De nombreuses variantes sont en cours de test(matériau en vrac ou ordonné, plastiques ou en mousse) (5). I l sembleencore prématuré de porter un jugement définitif sur ces procédés.

Un certain nombre de réalisations de nitrification tertiaire,principalement aux Etats Unis, assurent la nitrification des effluentssecondaires grâce à une boue activée ou à un l i t bactérien. Cesinstallations, à la technologie aujourd'hui bien connue, ont descapacités épuratoires relativement modestes en terme de chargesvolumiques éliminées, ce qui représente un inconvénient majeur pour

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les réalisations de grande capacité (6,7,8).Des réalisations plus récentes de nitrification tertiaire

utilisent des matériaux minéraux (argiles ou schistes expansés), defaible granulométrie (2 à 6 mm) , garnissant des filtres biologiquesimmergés.(5,9,10) . Ces installations, encore peu nombreuses en France,conduisent à des résultats très probants tant du point de vue de lanitrification que de l'affinage de l'épuration des composés carbonéset des matières en suspension. Ils s'accompagnent cependant decontraintes d'exploitation non négligeables, principalement du fait deleur fort pouvoir filtrant.

Le but de la présente étude est de présenter les résultats d'uneexpérience utilisant une installation de conception intermédiaireentre les li t s bactériens et les filtres immergés. Il s'agit ainsid'utiliser des cultures fixées, pour leurs capacités à atteindre lesfortes charges volumiques éliminées, dans un système immergé assurantun apport en substrats (ammoniaque et oxygène) le plus régulierpossible. Un tel dispositif devrait permettre d'obtenir des chargesvolumiques éliminées en ammoniaque comparables à celles obtenues dansles filtres minéraux, tout en présentant les sujétions d'exploitationles plus réduites possibles. Cette étude s'attachera à montrer d'unepart les caractéristiques et les résultats d'exploitation d'un pilotede nitrification, et d'autre part les paramètres jouant un rôleprépondérant sur son fonctionnement optimal.

MATERIELS ET METHODES

Choix du-matériau

Le choix du matériau- utilisé pour la fixation des bactériesrepose sur la prise en compte des critères suivants :

- surface spécifique importante- granulométrie supérieure au centimètre afin de minimiser lepouvoir filtrant- densité légèrement supérieure à 1 pour avoir un matériaudécantable mais assez facile à mettre en mouvement- bonne résistance mécanique- disponibilité rapide. Utilisation pour cette expérience dematériau existant, ou accessible rapidement- prix non dissuasif

Le matériau retenu est un petit tube creux annelé de 10 mm delong et de 12 mm de diamètre extérieur. I l est constitué dePolychlorure de Vinyle (P.V.C.), et est identique en structure et encomposition au tube plastique utilisé pour l'encastrement des câblesélectriques dans les cloisons. Sa densité est de 1,45 nu et de 1,25environ après colonisation. Avec un nombre moyen de 340 unités aul i t r e , sa surface . spécifique est de 600 m2.m"3 (surface totaledéveloppée par les annelures).

Matériels

Pilote. Le matériau choisi a été utilisé dans un pilote constituéd'une colonne en P.V.C. transparent de 0,5 m de diamètre intérieur etde 3 m de haut. Cette colonne est garnie de matériau qui repose sur ungrillage en acier inoxydable situé à 20 centimètres au dessus de lagrille d'aération. La hauteur de matériau est de 2 mètres (400l i t r e s ) , soit une hauteur d'eau totale de 2,5 mètres. L'eau circuledans le pilote de haut en bas (flux d'eau descendant), (figure 1).

Ce pilote est alimenté par une eau épurée secondaire dopée enNH4CI. Les concentrations typiques de l'eau d'alimentation sontregroupées dans le tableau 1.

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sortie

: matériau

alimentationeau épurée dopée

Figure 1 : Schéma de principedu pilote

. grille support

electrovanne depulsation d'air

air ou 02

bac deréoxygénation!Nfl

pompe péristaltiqut

o °a

sonde 02 dissous

-C-4— agitation

reacteur

02 ou N2ou air surpresse

Figure 2 : Installation derespirométrie

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TABLEAU 1 : Caractéristiques principales de l'eaud'alimentation du pilote

D.B.O.9 (mg. l - 1 )M.E.S. (mg. l - 1 )D.C.O. (mg. l - 1 )N-NH«* (mg. l - 1 )Température (°C)

30309030

10-24

L'alimentation est confiée à une pompe doseuse à piston DOSAPROMILTON ROY à débit réglable, de 100. à 700 l.h"1. L'aération est fourniepar un réseau d'air surpressé au travers d'une grille d'aérationconstituée de tubes en P.V.C. percés de trous fraisés. Le contrôlejournalier du fonctionnement du pilote est assuré par des prélèvementsd'entrée et de sortie, sur lesquels sont pratiqués les analyses deroutine classiques répondant aux normes A.F.N.O.R. en vigueur, àsavoir M.E.S. (Matières En Suspension), D.C.O. . (Demande Chimique enoxygène), D.C.O. soluble (D.C.O. résiduelle de' l'échantillon aprèsf i l t r a t i o n ) , D.B.Os (Demande Biologique en Oxygène 5 jours), N.T.K.(Azote Total Kjeldhal), NH4 • , NO2-, NOs", PO«

3-, pH, T.A.C. (TitreAlcalimétrique Complet). De plus, les débits d'eau, d'air et latempérature sont relevés quotidiennement. Les débits d'air sontmesurés par des rotamètres à flotteurs BROOKS de type "Sho-Rate" pourles débits jusqu'à 2 N-ra'.h"1, et de type "Full View" pour les débitsde 2 à 14 m3.h"1. Les mesures d'oxygène dissous sont effectuées avecune sonde portable PONSELLE (si la vitesse en eau sur la membrane estsuffisante) ou avec une sonde YSI dans le réacteur de respirométrie(sonde avec agitateur assurant la vitesse en eau suffisante sur lamembrane).

Sur ce pilote, un traçage au lithium a été réalisé. I l démontreun fonctionnement hydraulique satisfaisant, sans zone morte ni court-circuit.

Matériels complémentaires. En plus du pilote, deux typesd'installations ont été utilisées :

Premièrement, une installation de respirométrie pour les mesuresde respiration et pour les cinétiques de nitrification (figure 2).Elle comprend un réacteur en P.V.C. transparent de 2 litres (9 cm dediamètre, 30 cm de haut), avec deux grillages en acier inoxydableemprisonnant en son milieu 0,5 ou 1 l i t r e de matériau selon lesbesoins. La recirculation est assurée par une pompe péristaltique àdébit réglable (pompe AB 9) , par l'intermédiaire d'un bac permettantla préoxygénation de l'eau avant sa réintroduction dans le réacteur.Le réacteur est clos de façon étanche afin de pouvoir mettre enmouvement le matériau sans aération par retournement périodique.

Deuxièmement, deux colonnes de P.V.C. transparent pour les essaisde mise en expansion hydraulique et de mesure des vitesses defluidisation, respectivement de 0,1 mètre de diamètre, 1 mètre de haut(colonne 1) et 0,2 mètre de diamètre, 2,5 mètres de haut (colonne 2).

Dans ces deux installations, le même matériau que celui du pilotea été testé. Dans le cas des mesures de respiration et des cinétiquesde nitrification, le matériau nécessaire était prélevé directementdans le pilote juste avant l'expérience.

Modes d'expérimentation

Pilote. Le suivi du fonctionnement quotidien du pilote a permisde collecter des résultats visant à cerner le fonctionnement global dumatériau en fonction des conditions d'exploitation (charges volumiquesappliquées, température, volume de matériau, type de fonctionnementhydraulique). La capacité de filtration du matériau a été étudiée audébut des expériences. Dans la mesure où le stockage des Matières En

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Suspension n'était pas souhaitée, la mise en place d'une pulsation del'air a permis, par mise en mouvement régulière de. la totalité dumatériau, d'éviter le colmatage progressif et la nécessité d'un lavagepériodique. Une pulsation de quelques secondes d'aération toutes lescinq minutes a été retenue, afin que le matériau soit totalement agitéplusieures fois au cours du temps de séjour de l'eau dans le réacteur.La totalité des résultats d'exploitation qui sont mentionnés ici fontréférence à ce mode de fonctionnement. Durant toute la période ayantdonné lieu aux mesures, le réacteur n'a jamais été lavé. Le biofilm seprésentait alors de façon très différente à l'extérieur et àl'intérieur. A l'extérieur, seul les creux des annelures semblaient,au microscope optique, supporter de la biomasse. À l'intérieur, latotalité de la surface est recouverte d'une biomasse, dont l'épaisseurpeut atteindre plusieurs dixièmes de millimètres puisque le creux desannelures est partiellement comblé. Ces épaisseurs semblent trèsimportantes au regard de celles rencontrées dans les systèmes lavés,quelques centaines de microns selon Paffoni (11).

Des expériences complémentaires dans le pilote ont permis depréciser un certain nombre de points particuliers, à savoir :

- capacité d'oxygénation par la méthode de la réoxygénation eneau claire. Cette mesure, recommandée par Heduit (12) dans le cas desinsufflations d'air, représente le pourcentage de la masse d'oxygènedissous dans le système par rapport à la masse d'oxygène totalinjecté.

- mesure des vitesses moyennes de montée des bulles par variationdes plans d'eau sans et avec aération, à différentes chargessurfaciques en air, hauteurs de matériau et hauteurs d'eau au dessusdu matériau au repos. Cette mesure représente une approche statistiquede la vitesse moyenne de progression d'une bulle par calcul du rapportentre le volume d'air emprisonné dans le réacteur et le débit d'airinjecté dans le système.

- mesure des hauteurs de matériau mis en expansion en fonctiondes charges surfaciques en air et des hauteurs d'eau au dessus dumatériau au repos.

Colonnes 1 et 2. Les mesures de vitesses ascendantes en eau aumoment de la mise en fluidisation minimale, sans aération, ont permisd'approcher les énergies à mettre en jeu pour assurer un mouvementéventuel du matériau par un courant vertical d'eau seul. Elles ontaussi permis, par comparaison avec l'équation théorique, d'évaluer lefacteur de forme de la particule utilisée. Ces colonnes ont égalementété utilisées pour des mesures de respirométrie avec des vitesses eneau permettant la mise en fluidisation du matériau.

Réacteur de respirométrie. Il a permis d'effectuer deux types demesures, les respirométries et les cinétiques de nitrification.

Les respirométries ont été abordées par mesure de la chuted'oxygène dissous d'une eau saturée en oxygène entre l'entrée et lasortie du réacteur, et ceci pour différents fonctionnementshydrauliques du matériau. La charge volumique éliminée en N-NH4* estcalculée en fonction de la quantité théorique d'oxygène nécessaire àl'oxydation de l'ion ammonium en nitrate- (4,2 mg 02/mg N). Lesrespirations avec matériau en mouvement ont été réalisées en créantune agitation par retournement complet du réacteur de respirométrie defaçon périodique (périodes de 5, 15 et 30 secondes).

Les cinétiques de nitrification ont été réalisées parprélèvement périodique (toutes les 15 minutes pendant 2 heures) dansl'eau en recirculation et mesure des concentrations en N-NH<+, N-NO2"et N-NO3- de ces prélèvements. Les cinétiques ont été réalisées dansdiverses conditions d'aération et de mode d'agitation, l'oxygènedissous étant toujours maintenu à 9 ig.l" 1 en sortie.

Ces deux types d'expériences, réalisés dans le même réacteur, ontconduit à la mise en place de six manipulations permettant de cerner

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les rôles respectifs de l'aération et de l'agitation. Les expériences1 et 2 concernent des respirations, les expériences 3 à 6 descinétiques de nitrification.

- expérience N°l : respiration. Matériau immobile. Expérienceégalement réalisée dans les colonnes 1 et 2, avec matériau enfluidisation.

- expérience N°2 : respiration. Agitation mécanique,(retournement complet alternatif du réacteur).

- expérience N°3 : cinétique de nitrification. Agitationmécanique. Aération par préoxygénation. (pas de bulles dans leréacteur).

- expérience N°4 : cinétique de nitrification. Matériau immobile.Aération par bullage d'air.

- expérience N°5 : cinétique de nitrification. Agitation etaération par bullage d'air.

- expérience N°6 : cinétique de nitrification. Agitation parbullage d'azote pur. Aération par préoxygénation à 20 mg.l~l de l'eaud'alimentation.

RESULTATS ET DISCUSSION

Capacité d'oxygénation

La capacité d'oxygénation de la g r i l l e d'aération du pilote amontré une nette augmentation des quantités d'oxygène transféré enprésence de matériau par rapport à la même mesure effectuée en eauseule, (tableau 2).

TABLEAU 2 : Capacité d'oxygénation de la g r i l l e d'aérationdu pilote

hauteur dematériau

(m)

/0,511,5

CAPACITEa i r

lm3.h-1

8,19,8

15,419,6

d'OXYGENATIONa i r

3m3.h-1

7,812,615,617,5

(%)a i r

5m3.h-i

10,41318,819,9

Ces résultats indiquent clairement que la présence de matériaudans l'eau augmente significativement la capacité d'oxygénation d'unsystème d'aération à moyennes bulles. Ceci peut aisément s'expliquerpar le stockage important de bulles d'air au sein du matériau. Uneapproche hydraulique de la vitesse moyenne des bulles d'air dans leréacteur est possible avec la mesure des variations du plan d'eau enfonction des débits d'air injectés. Ainsi :

t r a (h) e t Vb =He (m.h-1)

Qa(équation 1)

avec tra = temps de rétention de l ' a i r (h)Va

Qa

He

( m 3 )

soit

= Volume d'air dans le réacteur= Débit d'air injecté (m3.h"1)= hauteur d'eau dans le réacteur (m)= vitesse moyenne de montée des bulles (cm.s-M

10 2

Vb =3600

x 0,028 (cm.s"1) (équation 2)

Les mesures effectuées dans le pilote montrent que la"*vitesse de

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progression des bulles en absence de matériau s'établit à 28 cm.s-»,quelles que soient les hauteurs d'eau. En présence de matériau, ceshauteurs varient en fonction des hauteurs de matériau et des débitsd'air injectés, puisque la quantité de matériau- en mouvement estvariable avec la quantité d'air et la hauteur d'eau. En cas dematériau immobile, et quelles que soient les hauteurs d'eau, cettevitesse de progression des bulles est ramenée à 9 cm.s"1. La quantitéde matériau en expansion explique ensuite la variation progressive decette vitesse jusqu'à 18 cm.s"1, vitesse maximale atteinte lorsquetout le matériau est en mouvement.Mise en expansion du matériau

La mise en expansion du matériau a été abordée d'une part dansle pilote et d'autre part dans les colonnes 1 et 2. Dans le premiercas, le fluide transporteur d'énergie était l'air d'aération et dansle deuxième cas un flux ascendant d'eau (sans aérationcomplémentaire).

La quantité de matériau mis en mouvement par un flux d'airascendant dans le pilote plein d'eau est fonction de trois paramètres,la hauteur totale de matériau, la hauteur d'eau libre au dessus dumatériau au repos, la charge surfacique en air (dite aussi vitesse enfût vide). Compte tenu de la configuration hydraulique du réacteur etdes effets de paroi importants- dans ce type d'expérience, lesrésultats indiquent que la partie de matériau en expansion estd'autant plus importante que la hauteur d'eau au dessus du matériauaugmente et que l'énergie mise en jeu est plus importante (chargesurfacique en air), (figure 3). Cependant, même dans les cas les plusfavorables, les quantités d'air à mettre en oeuvre pour obtenir unemise en mouvement sont très élevées au regard de celles nécessaires àla satisfaction stricte des besoins biologiques. Ainsi, dans le casd'un rendement d'oxygénation de 15%, et Four un volume d= matériau de300 l i t r e s , le débit d'air théorique suffisant à la nitrification de0,7 kg N-NH<* .m-s.j-1 est de 0,8 m'.h"1 d'air (4 m3.m~z .h"1). (besointhéorique en oxygène : 4,18 mg O2/mg N-NH«* ni t r i f i é ) . Dans nosconditions, les débits d'air utilisés pour l'expansion variaient de 2à 12 m3.h"1 (10 à 60 m3 .nr2 .h" ' ) , soit pour une expansionsignificative des débits d'air supérieurs d'un facteur 10 aux besoinsbiologiques.

Dans une deuxième expérience, l'expansion a été obtenue avec undébit d'eau ascendant seul, sans aération complémentaire et donc sansénergie de mise en expansion due à l'aération. Dans ce cas, lafluidisation est obtenue quand la force d'entraînement due à lavitesse du fluide, (c'est à dire la perte de charge multipliée par lasection du réacteur), égale le poids des particules solides. Ondéfinit ainsi la fluidisation minimale, vitesse en eau minimale à lapremière fluidisation du matériau. La valeur de la vitesse du fluidenécessaire à l'établissement de la fluidisation minimale est donnéepar Perry et Chilton (13) :

G,. = 0,005»' gd,(d.-d,) c* I,,3 ( é q u a t i o n 3 )

M ( 1 - If» )

Avec : Gfa - Vitesse massique verticale superficielle du fluidepour la fluidisation minimale (m.h-1)

« » Diamètre de la particule (m)g » Accélération de la pesanteur (m.s-*)df » densité du fluide (kg.nr*)d« » densité du solide (kg.m"3)t. » Facteur de forme de la particuleXf• - Indice de vide à la fluidisation minimalep = viscosité du fluide (pascal.seconde)

En utilisant un facteur de forme approché (Anneaux do Rashig:i=0,3) (13". le calcul théorique amène à G» • = 125 m.h-1. Les mesures

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i (c

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11

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70

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BO

4 0

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2 0

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Hauteur d'eau audessus du matériau

+0. Sin

1 0 80 30 40 00Charge surfacique ( m 3 , m" ' . h - ' J

eo 7 0 8 0

Figure 3 : Variation des hauteurs de matériau en expansionavec les charges surfaciques en air et les hauteursd'eau au dessus du matériau au repos.

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Figure 4 : Evolution du rendement d'élimination des M.E.S. en fonctionde leur concentration dans l'eau d'alimentation

•«7 o.

.Modela

Pointa Exp.

1 0 1 1 12 13 14 IBTempérature ( "CI

I B 1 7 I B 19 20 21 2 2

Figure 5 : Evolution de la charge volumique éliminée en N-NH.en fonction de la température de l'eau

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effectuées sur les colonnes 1 et 2 fournissent respectivement desvaleurs de 110 m.h"1, et 103 m.h"1. Ceci nous a permis de calculer lefacteur de forme £ de ce matériau (t = 0.27). Observons que lesvitesses nécessaires à la fluidisation d'un matériau de cette densitésont importantes au regard des vitesses habituellement utilisées enprocess dans les ouvrages d'épuration à bactéries fixes immergées.Gousailles et Paffoni (9) précisent que les vitesses en eau de processdans un fi l t r e de nitrification tertiaire à garnissage minéral sont del'ordre de 3 à 5 m.h"1. Il est donc exclu, avec un tel matériau,d'envisager la mise en expansion avec un flux ascendant d'eau seul.

Les énergies à mettre en jeu pour assurer la mise en mouvement dumatériau sont donc importantes,' que- le. fluide assurant l'apporténergétique soit de l'air (première expérience) ou de l'eau (deuxièmeexpérience). L'équation 3 montre cependant- que les vitessesnécessaires sont directement proportionnelles à la.densité du matériauutilisé. Ainsi, toutes choses égales par ailleurs., une diminution dela densité du matériau de 1,45 à 1,05 permettrait de ramener lavitesse massique théorique pour la fluidisation minimale de 125 à 13m.h"1. Le comportement du matériau en régime triphasique (eau, gaz etsolides, tous trois en mouvement) n'ayant pas pu être modélisé, i ln'est pas possible de dimensionner le gain énergétique obtenu pardiminution de la densité du matériau en conditions d'utilisationbiologique. Il semble clair cependant qu'une densité de matériaucolonisé beaucoup plus proche de 1 permettrait de diminuerconsidérablement les énergies nécessaires aux besoins de mise enmouvement.

Résultats d'exploitation du pilote

TABLEAU 3 : Résultats d'exploitation du pilote (valeurs moyennes)

M.E.S.D.B.0.3D.C.O.DCO s o lN-NH<•N.T.K.N-NOj-N-NH«•N.T.K.N-NOs-P0<3"T.A.C.PH

Déb.

1 20°C

1 15°C

alim. =

Entrée(mq.l-1)

Sortie(mg.l-1

(sauf pH)

21,215,366,555,526,727,30,3

30,831,50,43,8

2767,5

500 I.h-«

20,910,847,937,67,17,8

20,318,219,111,83,9

1497,4

; Vol.

Rendement

(%)

/2928327371

4139

mat.= 300 1

Ch.vol.appl.

(kg N-NH« .m-

0,612,65

1,06

1,23

. ; tps s é j

Ch.vol.élim.

3 . j - 1 )

0,180,74

0,8

0,5

.=0,6 h

Après une période de démarrage de plusieurs mois, renduenécessaire pour l'ensemencement du matériau et la mise au point de laconfiguration définitive du pilote, les résultats suivants ont pu êtreobtenus (tableau 3).

Ce tableau dea valeurs moyennes des résultats d-'exploitationobtenus en fonctionnement puisé montre qu'une nitrification tertiaireà une charge volumique éliminée importante peut être obtenue avec unl i t bactérien immergé. Les principaux enseignements qu'il est possibled'en tirer sont les suivants :

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pH et T,A.C.

La nitrification s'accompagne de la production d'ions H*. MARTIN(1) note que les bactéries nitrifiantes ont un taux de renouvellementoptimum vers pH 8. Une réserve alcaline est donc , nécessaire afind'éviter l'acidification du milieu consécutivement à la nitrification.Sharma et Ahler (14) indiquent que la nitrification de 1 milligrammede N-NH«* consomme environ 6 à 7,4 milligrammes d'alcalinité (expriméeen CaCCh ). Les résultats d'exploitation sont compatibles avec cesvaleurs, puisque la baise du T.A.C. de 276 à 149 représenterait lanitrification de 17 milligrammes par l i t r e de N-NH4*. valeur moyennedes abattements obtenus à 15 et à 20°C. Dans ces conditions, puisquela réserve alcaline n'est pas. consommée en totalité, le pH de sortien'est pas significativejnent différent de celui d'entrée.

Matières en suspension

Durant toute la période de fonctionnement, une pulsation del'aération a permis d'éviter la rétention des M.E.S,. par filtration etdonc le colmatage du matériau. Cependant, une analyse des rendementsd'élimination des M.E.S. en fonction de leur concentration dans l'eaud'alimentation montre que le procédé a une action réelle sur lafiltration dés M.E.S. pour les valeurs de M.E.S. d'alimentationsupérieures à 30 mg.1"1, alors que pour les valeurs inférieures, lerendement est très variable et peut être négatif (figure 4). Lematériau se comporte donc comme s ' i l écrêtait spécifiquement lesfortes concentrations. Les M.E.S. stockées et produites au cours del'épuration sont relarguées de façon continue par le matériau, ce quin'est verifiable que pour les valeurs dé M.E.S. d'alimentationinférieures à 30 mg.l~l.

Elimination de la P.C.O

L'élimination complémentaire de la pollution carbonée dans unsystème tertiaire est souvent recherchée, puisqu'elle permet unaffinage de l'épuration en sortie de décanteur secondaire. Dans le casd'un l i t bactérien immergé, l'élimination de la D.C.O. totale estdirectement liée à la capacité de filtration des M.E.S. Puisque cettecapacité est très réduite i c i , l'action sur la D.C.O. le seraégalement. Cependant, puisque des charges volumiques en D.C.O.importantes sont appliquées au système (environ 2,5 kg (DCO).m"3.j-l),une étude plus fine de l'élimination de la D.C.O. soluble a été menée.Elle montre que les rendements d'élimination de la D.C.O. soluble sonttoujours positifs et en moyenne (sur 1 an) voisins de 35 % . La D.C.O.totale quant à elle est variable avec la concentration en M.E.S. del'eau de sortie. Le rendement d'épuration en D.C.O. totale va doncvarier de façon assez importante, et dans le même sens que lerendement d'épuration des M.E.S. Compte tenu des rendementsd'élimination des M.E.S. et de la D.B.O.a parfois négatifs, et comptetenu du comportement particulier du matériau vis à vis de l'écrêtementdes pointes de M.E.S., i l n'est pas possible d'attribuer à laproduction de biomasse due à l'élimination de la D.B.O.s unedégradation de l'eau en sortie du f i l t r e . Pour les même raisons, unequantification rigoureuse de cette production de biomasse dans le casd'un système nitrifiant tertiaire n'a pas pu être menée.

Il existe donc au sein de l'écosystème fixé une population debactéries hétérotrophes. Celle-ci participe à la création du biofilmpar la synthèse des exo-polymères indispensables. Par contre, son rôledans la compétition trophique avec les autres souches bactériennes(principalement Nitrobacter et Nitrosomonas) est encore largementméconnu au sein d'un biofilm.

Nitrification

Au cours du développement et de l'exploitation des diversesexpériences, des valeurs de charge volumique éliminée voisines de 1 kg

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N-NIU • .îir3 . j " 1 à des températures égales ou supérieures à 20 °C ontété obtenues. Les valeurs moyennes reflètent la prise en compte desdivers essais réalisés sur le pilote en vue de cerner les paramètresinfluant le fonctionnement biologique de l'installation. Les résultatsjournaliers ont permis de montrer que' les charges éliminées ont puêtre obtenues lorsqu'un certain nombre de Conditions, principalementd'ordre hydrauliques, étaient maintenues. Afin d'évaluer quellesdoivent être ces conditions, .un certain nombre de paramètresessentiels ont été analysés, (influence de la température, besoins enair de la nitrification, rôle de l'agitation).

Influence de la température. Les variations du taux de croissancedes bactéries nitrifiantes avec la température sont connues pour êtreun des facteurs limitants de la nitrification biologique (15,16).

Selon Paffoni (11), la charge volumique éliminée peut s'exprimercomme une fonction de la température selon :

Cve = a ß<T-js) (équation 4)

Une analyse des résultats journaliers a permis le choix despoints les plus représentatifs d'un fonctionnement optimal, c'est àdire que, pour chaque température, a été retenue la valeur de chargevolumique éliminée la plus élevée qu'il a été possible d'obtenir(Cveux). Ont ainsi été éliminés tous les résultats successifs àdivers essais et qui ne reflétaient pas la charge volumique éliminéemaximale réelle de l'installation. Dans ces conditions. unelinéarisation de l'équation 5 puis une régression linéaire sur nosrésultats expérimentaux conduisent à : •

a = 0,66 et ß = 1,09 (coefficient de corrélation r2 = 0,97)

soit Cvemax = 0,66 x l,09<T-ia> (équation 5)

La figure 5 représente ainsi ces charges volumiques éliminéesmaximales obtenues par classe de température avec le pilote, ainsi quele modèle, issu de l'équation 5, les décrivant. Cette équation ne rendpas compte des valeurs moyennes indiquées au tableau 3. Par contre,elle permet de prévoir la valeur de la charge volumique éliminéemaximale que l'on est en droit d'attendre d'un tel procédé en fonctionde la température de l'eau, si les autres conditions d'exploitation nesont pas limitantes.

Besoins en air de la nitrification. Les quantités d'airnécessitées par la nitrification ont été évaluées grâce au pilote,pour lequel la grande hauteur d'eau permet une mesure fiable. Il estainsi apparu clairement que l'immobilité du matériau, outre qu'elleimpose des lavages périodiques, est très préjudiciable à une bonnenitrification, même en absence de tout colmatage.

La comparaison des besoins théoriques en air (4,18 mg Oi.mg"1 N-NH< • nitrifié) avec les quantités d'air effectivement fournies ausystème conduit à s'interroger sur le rôle précis de l'aération dansnotre cas. En effet, même avec des valeurs d'oxygène dissous élevéespour la nitrification (6 à 8 mg O2.I-1), celle-ci n'est pas complète.Or ces valeurs d'oxygène dissous sont obtenues avec des chargessurfaciques en air très inférieures à celles nécessitées pour une miseen expansion ou une agitation par pulsation. En augmentant l'aération,la quantité d'02 dissous augmente jusqu'à la saturation sansamélioration notable de la charge volumique éliminée, le matériauétant toujours immobile. Ce n'est qu'avec des charges surfaciquesencore supérieures, lorsque le matériau est mis en mouvement, que demeilleurs résultats sont obtenus.

L'étude des besoins en air de la nitrification de ce matériauconduit donc directement à s'interroger sur le comportementhydraulique de ce dernier.

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Rôle de l'agitation. Le comportement hydraulique du matériau afait l'objet d'une étude importante puisque, une fois établies lescapacités nitrificatrices du support, ce point devait apparaître commele facteur le plus limitant et le moins bien connu. En effet, sil'exploitation des fil t r e s de nitrification tertiaire à garnissageminéral fournissait une bonne base de comparaison quant au>.performances de l'élimination biologique, elle ne nous permettait pasd'imaginer le comportement d'un matériau de densité très légèrementsupérieure à 1. A cet effet, plusieures expériences ont été conduites,dans le pilote et dans le réacteur de respirómetrie.

Dans le pilote, l'étude des charges volumiques éliminées enfonction des débits d'air et des pulsations montre clairement que lanitrification est augmentée de 50% lorsq'une agitation, au moinspériodique, assure un brassage du matériau (pulsations de 6 secondesenviron toutes les 20 minutes puis toutes les 5 minutes) (tableau 4).

TABLEAU 4 : Charges volumiques éliminées su,r le piloteavec et sans pulsation d'air.

CHARGESURFACIQUES

en AIR

(m'.h-»)

12345

sanspuis.

0,220,210,280,300,40

CHARGE Volumique Eliminée(kg N-NH«»:m-».j-»)

pulsation(0,l/20)mn

0,250.260,350,380,40

pulsation(0,l/5)mn

0,300,300.450,450,60

En absence de pulsation, l'augmentation de la charge volumiqueéliminée avec le débit d'air s'explique aisément par la mise enmouvement progressive du matériau. Cependant, ces essais n'ont paspermis d'obtenir les charges volumiques éliminées optimales puisque lamise en mouvement complète ne peut pas être obtenue dans le pilote dufait de la configuration hydraulique mal adaptée (grande hauteur auregard de la section).

L'étude du comportement en nitrification du matériau en fonctionde son régime hydraulique va donc être abordée avec l'installation derespirométrie grâce à 6 séries d'expériences.

Four chaque type d'expérience, la valeur indiquée au tableau 5correspond à une moyenne ramenée à des conditions identiques,principalement vis à vis de la température (ici 18°C).

TABLEAU 5 : Variation des charges volumiques éliminées enfonction du régime hydraulique du matériau.

N°Exp.

TypeExp.

Agitation

sansmécaniquemécanique

sansbullage

bulläge Ni

ModeAération

Sat. eau alimSat. eau alimSat. eau alim

bullagebullage

Sat. eau alim

Charge Volumiqueéliminée

(kg N-NH«4 .m-3., j " 1 )

0,130,190,230,40,810,65

1 Respiration2 Respiration3 Cinétique4 Cinétique5 Cinétique6 Cinétique

Dans notre cas. quelles que soient l e s valeurs d'oxygène dissous

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de l'eau d'alimentation, les diverses expériences de respiration{réacteur et colonnes 1 et 2).,malgré diverses solutions d'expansion oud'agitation testées, n'ont pas fourni de valeurs représentatives dufonctionnement des bactéries, alors même que les- résultatsd'exploitation indiquaient une nitrification de ce matériau dans lepilote.

Des cinétiques ont alors été réalisées afin d'analyser lecomportement en nitrification du matériau dans les conditions les plusvariées possibles (expériences 3 à 6) . Les résultats de ces diversesexpériences permettent de confirmer la prépondérance du rôle del'agitation. Toutes choses égales par ailleurs, l'augmentation del'efficacité de l'agitation conduit directement à une augmentation descapacités épuratoires. L'agitation, somme toute très limitée, obtenuegrâce au retournement périodique du réacteur ' (agitation mécanique)n'est jamais suffisante pour assurer un fonctionnement optimal. Seuleune agitation importante avec des bulles d'air (expérience 5) permetd'obtenir des chargea volumiques éliminées supérieures à ce' qu'ellesseraient dans le pilote dans des conditions de charges appliquées etde température équivalente (dans le pilote, rappelons qu'une- mise enmouvement totale du matériau n'est pas possible,). La comparaison desexpériences 4 et 5 d'une part, 5 et 6 d'autre part, montre que lesbulles d'air, en plus de l'oxygénation de l'eau, peuvent avoir deuxrôles distincts :

- un rôle de renouvellement hydraulique des substrats à lasurface du biofilm par agitation du matériau (création d'une vitesserelative en eau à la surface du biofilm.) et par passage de la bulle aucentre du matériau, agissant alors comme un piston. D'après Rittmannet McCarty (17), i l existe à la surface du biofilm une couche limitehydraulique de diffusion dans laquelle la concentration en substratdiminue depuis le liquide jusqu'à la surface du biofilm. Cette couche,caractérisée par un profil de vitesse en eau décroissant jusqu'à lavaleur limite 0 au contact du solide, peut varier en épaisseur enfonction des vitesses relatives fluide/solide et de la rugosité de lasurface après colonisation. Dans notre cas, l'observation attentive ducomportement du matériau prouve que des bulles . d'air restentmomentanément emprisonnées dans les grains disposés hprizontalement.De plus, des essais de traçage à la fluorescéine montrent, en absenced'agitation, l'existence de passages préférentiels à l'extérieur desgrains immobiles. Il est très vraisemblable que le comportementhydraulique très particulier de ce matériau creux conduise à descouches limites de diffusion- importantes à l'intérieur des grains,voire même à un non nouvellement de la totalité du liquide emprisonnéhydrauliquement dans la partie creuse du matériau.

- un rôle d'aération directe. Lee et Stensel (18) notent qu'unepartie de l'oxygénation des bactéries est assurée par transfert directde l'oxygène lorsque les bulles sont en contact avec le biofilm.L'expérience 6 , au regard des résultats de l'expérience 5, semblemontrer que le rôle d'agitation mécanique est prépondérant, mais qu'iln'est pas suffisant pour assurer là totalité des performances. Ainsi,en accord avec ces auteurs, environ 20% de l'élimination biologiquepeut être attribuée à un tel phénomène.

Donc, la combinaison de l'agitation mécanique du matériau supportpar les bulles et la présence d'oxygène au sein même de celui-ci °t/ouau. contact direct du biofilm est indispensable au fonctionnementoptimal.

CONCLUSION

L'étude du comportement d'un nouveau matériau de fixation desbactéries en vue de la nitrification tertiaire des eaux rêsiduaires

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dans un l i t bactérien immergé a permis de préciser un certain nombrede points:

La nitr i f i c a t i o n est possible dans de tel s dispositifs à descharges volumiques éliminées moyennes de 0,8 kg N-NH«*.m"3.j-1 à 20°Cet de 0,5 kg N-NH4*.m"3.j"1 à 15°C, et ceci sans obligation de lavagedu système dans la mesure où un fonctionnement en agitation périodiqueou permanente est assuré.

Dans les conditions d'agitation requises pour la n i t r i f i c a t i o n ,une f i l t r a t i o n des M.E.S. n'est pas envisageable. Par contre, lepilote exploité montre une capacité à l'élimination des crêtes deconcentration de ces M.E.S. supérieures à 30 mg.l"1. Un fonctionnementsans aucune sujétion d'exploitation est ainsi possible pendant denombreux mois.

La configuration particulière du matériau amène à u t i l i s e r desquantités d'air importantes pour assurer une agitation suffisante dece matériau. La mise en oeuvre hydraulique d'un tel procédé apparaitcomme l'un des facteurs les plus limitants à son util i s a t i o n .L'utilisation d'un matériau de densité beaucoup plus proche de 1pourrait conduire à une exploitation beaucoup plus aisée.

BIBLIOGRAPHIE

1. G. Martin, in Le problème de l'azote dans les eaux, Tech. et Doc.,Paris, 1979, pp.157 et 89.2. C. Huang, G.A. Fishburn, Wat. Eng. Man., Feb. 1981, 30-31 (1981).3. H. Lang, Wasserwirtschaft, 71, N°6, 166-169 (1981).4. D.R. Reinhart, J.W.P.C.F., 51, No 5, 1032-1039 (1979).5. F Rogalla, M. Payraudeau, Wat. Supply, 6, Brussels, 347-354 (1988).6. D.E. Schwinn, Environ. Sci. Tech., 8, No 10, 892-897 (1974).7. S. Schlegel, Wat. Sci. Tech., 16, 131-142 (1984).8. E.F. Barth, B.W. Ryan, J.W.P.C.F., 50, No 7, 1768-1785 (1978).9. M. Gousailles, C. Paffoni. Rapport d'étude unité pilote No7(synthèse). Centre de Recherche Interdépartemental pour l e Traitementdes Eaux Résiduaires et Agence Financière de Bassin Seine-Normandie.20 pages. 1986.10. D. Amar, G.M. Faup, 7e symposium A.Q.T.E., Montréal, 20-21 Nov.1984.11. C. Paffoni, Communication personnelle.12. A. Heduit. In les performances des systèmes d'aération des stationsd'épuration. C.T.G.R.E.F., Paris, 1980, p37.13. R. Perry, C. Chilton, in Chemical engineer's handbook, Mc GrawHill ed., Technique et Documentation, Paris, 1973, p.5-52.14. B. Sharma, R.C. Ahler, Wat. Res., 11, 897-925 (1977).15. H.A. Painter, J.E. Loveless, Wat. Res., 17, No 3, 237-248 (1983).16. H. Tanaka, S. Uzmann and I. Dunn, Biotech. Bioeng., 23, 1683-1702(1981).17. B.E. Rittmann, L. McCarty, J. of Env. Eng. Div., 107, N° EE4, 831-849 (1981).1 8 . M. L e e , H. S t e n s e l , J.W.P.C.F., 58, N ° 1 1 , 1 0 6 6 - 1 0 7 2 ( 1 9 8 6 ) .

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