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82 Les Boues Activées Jean Pierre CANLER Groupement de Lyon

83 Les procédés à boues activées.
1 – Introduction 2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique 3 - Système intensif : la boue activée 3.1 : le bassin d’aération * volume de l’ouvrage * capacités d’aération 3.2 : le processus de floculation

84 3.3 : Le clarificateur * dimensionnement de l’ouvrage * la recirculation des boues 3.4 : la production de boue 3.5 : les autres ouvrages ou équipements : - prétraitements - décantation primaire - zone de contact - zone d’anoxie - ouvrage de dégazage 3.6 : la filière boue

85 clarificateur ou décanteur secondaire
1 - Introduction : A partir du principe de traitement biologique, sa mise en application est ancienne :les procédés boues activées datent de 1914 en Grande Bretagne. Schéma général du procédé de traitement des eaux usées par boues activées bassin d’aération clarificateur ou décanteur secondaire eau épurée boue en excès Depuis de nombreuses évolutions et configuration

86 2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique
La mise en œuvre du réacteur biologique (ou bassin d’aération) : C’est un bassin composé de bactéries et est alimenté avec des eaux résiduaires le plus souvent pré-traitées et aérée de façon artificielle. En sortie de cet ouvrage, les eaux sont composées d’une grande quantité de matière organique bactérienne. Les principales bases de dimensionnement de cet ouvrage : le temps de séjour hydraulique = la concentration en bactéries ou en matières en suspension (Cm) la source d’oxygène : indispensable à l’activité bactérienne (bactéries aérobies) la qualité de l’eau recherchée (plus particulièrement l’eau interstitielle). Dans tous les cas, le réacteur biologique sera suivi d’un bassin de sédimentation.

87 Temps de séjour hydraulique (équivalent à l’âge de la boue) :
A l’équilibre hydraulique (Volume entrant = Volume sortant) Ts hydraulique = Volume du bassin / Volume entrant L’élimination de la matière organique s’effectue en trois étapes : - l’absorption des matières organiques en solution et facilement biodégradables (DCO sol) - la capture et l’adsorption des matières organiques particulaires et colloïdales (70% de la DCO) Suivi de l’hydrolyse puis l’absorption. Le temps de séjour nécessaire à une bonne épuration est déterminé par l’étape la plus lente.

88 DBO5 particulaire adsorbé
Un âge de boue de l’ordre de 1,5 jours suffit pour éliminer les matières organiques dissoutes.Un âge de boue de l’ordre de 2,5 à 3 jours suffit pour éliminer les matières organiques colloïdales et particulaires en raison de la phase d’hydrolyse préalable. 400 300 200 100 DBO5 - entrée DBO5 (mg/l) DBO5 dissoute DBO5 sortie totale DBO5 particulaire adsorbé Âge de boues (jr) Après 3 jours: les stocks extra-cellulaires ainsi formés sont dégradés et laissent ainsi les boues en bonne condition pour l’adsorption d’autres matières organiques. Comme l’Age de la boue = Ts hydraulique et qu’il doit être d’au moins 3 à 4 jours, le volume du réacteur sera égal à 3 à 4 fois le volume collecté journalièrement .

89 Exemple : Calculez le volume d’un bassin d’aération pour une ville de habitants. Supposez : - rejet par habitant : 0,060 kg DBO5/jr 0,150 m3/jr - temps de séjour hydraulique : 4 jours On trouve : - flux hydraulique journalier : x 0,15 = 1800 m3/jr - volume du bassin : x 4 = 7200 m3

90 2 - La concentration en matières en suspension :
Quantité de biomasse produite journalièrement = Quantité de biomasse évacuées journalièrement A l’équilibre hydraulique : Qe x [DBO5] x PSB = Qs x [Mes] Biomasse formée biomasse évacuée Qe = Qs Donc [ DBO5 ] x PSB = [ MES ] Pour un effluent classique : [ DBO5 ] = 300 mg/l , la concentration en MES sera de 0,256 g/l (PSB =0.9 kg de MES / kg de DBO5 éliminée – rendement 95 %) D’où une très faible concentration de biomasse.

91 3 - La quantité d’oxygène : abordée plus loin.
4 - La qualité de l’eau traitée : En sortie du réacteur biologique, l’effluent contient encore de la matière organique dite : - dissoute : valeur faible, résiduel < à 10 mg/l de DBO5 (soit une DCO < à 25 mg/l ), - particulaire : composée de biomasse et de matières solides apportées par les eaux usées et non dégradées.

92 Exemple : Calculez la concentration en DBO5 totale de l’effluent de sortie du réacteur biologique et en sortie du clarificateur Avec une concentration en DBO5 de l’effluent à traiter = 300 mg/l Un Ts hydraulique = âge de boue = 4 jours d’où un rendement de 95 % sur la DBO5 Totale Une PSB = 0,9 kg de MS / kg de DBO5 éliminée On sait qu’un kg de MES (biomasse)= 1,2 kg de DCO = 0,5 kg de DBO5 Résultat DBO5 non traitée (sortie réacteur biologique et sortie clarificateur) 300 mg/l x 95 % = 285 mg/l soit 15 mg/l de DBO5 non dégradée DBO5 liée à la biomasse formée (sortie réacteur biologique) 285 mg/l x 0,9 x 0,5 = 128 mg/l de DBO5 particulaire (biomasse) Soit un effluent de sortie réacteur bio. = 143 mg/l ( mg/l) D’où un rendement du réacteur biologique de 52,3 % ( /300 ) Et un rendement de 95 % en sortie clarificateur (300-15/300)

93 En conclusion, La mise en œuvre d’un réacteur biologique est relativement simple et le procédé est très fiable. Les contraintes d’exploitation sont limitées. Malgré les avantages,on note les inconvénients suivants : - volume d’ouvrage important (ts de 4 jours) qui entraîne des puissances de brassage élevées. - absence de possibilité de traiter l’azote(en dehors de l’assimilation) : âge de boue trop court. - absence de stabilisation de boues.

94 Charge volumique = Cv = Kg de DBO5/ j et par m3 de réacteur.
Notion de temps de séjour Si un échantillon proportionnel aux débits à une DBO5 = 300 mg/l Avec une Cv = 0,3 kg de DBO5/m3 de réacteur et par jour Ts = 1 jour [DBO5] mg de DBO5/l Cv Kg de DBO5/m3.J Temps séjour En jours 300 0,3 1 600 2 150 0,5

95 Ces inconvénients peuvent être supprimés,
- séparer la notion de temps de séjour hydraulique et âge de boue :  Captage des particules et adsorption : 70 % de la DBO5 en 15 mn DBO5 soluble 1 à 1,5 jours * le temps de séjour diminué (d’où une réduction du volume des ouvrages) l’augmentation de l’âge de la boue par l’augmentation de la quantité de biomasse donc de sa concentration. Cette concentration pourra être accrue par la recirculation des boues issues de l’ouvrage de sédimentation (= clarificateur). Un tel procédé avec un âge de boue de 20 jours, un temps de séjour hydraulique de 1 jour, une concentration en MES dans le réacteur de 4 g/l est appelé l’aération prolongée. Cm = 0,1 Cv = 0,3 ([DBO5] = 300 mg/l)

96 Autres relations Cv notion de temps de séjour  

97 Dimensionnement : Filière eau Filière boue
1 - les prétraitements : Dégrilleur – Dessableur – Déshuileur 2 - le réacteur biologique * le volume du réacteur biologique * les capacités d’aération 3 - le clarificateur * dimensionnement du clarificateur * recirculation des boues 4 – la production de boues 5 – les ouvrages annexes: • prétraitements compacts • décantation primaire • zone de contact • zone d’anaérobie • zone d’anoxie • ouvrage de dégazage Filière boue

98 Meilleur compromis 4 g/l + 0,5 (Cm = 0,1 et Ts = 1 j )
Le réacteur biologique :  le volume dépend : - de la quantité de boues nécessaire pour traiter la pollution donc de la Cm (donc de l’âge de la culture), et de la concentration des boues du réacteur (limite hydraulique du clarificateur). Meilleur compromis 4 g/l + 0,5 (Cm = 0,1 et Ts = 1 j )  Quantité de boues : deux approches méthode des charges massiques méthode des âges de boues

99 Méthodes des charges massiques
* on retient une charge massique (AP car PSB faible, stabilisation des boues, traitement de l’azote, qualité de l’eau élevée) = 0,1 kg de DBO5 /kg de MVS.jour * une charge de référence de X kg de DBO5 à traiter * d’où charge réf / Cm donne kg de boues

100 Méthode des charges massiques
Exemple : Calculez la quantité de boue puis le volume du bassin du bassin d’aération d’une station d’épuration type « aération prolongée » pour une ville de hab. On suppose : ‑ rejet par habitant kg DBO5/jour ‑ charge massique kg DBO5/kg MVS.j ‑ concentration des boues activées kg MES/m3 et kg MVS/m3 (70% car A.P.) On trouve : flux massique journalier x = 720 kg de DBO5/jour   quantité de boues dans le bassin 720 / 0.1 = kg MVS ou kg MES (720 / 0.07) - volume du bassin 7.200 / 2.8 = 2571 m3 (ou 10285/4)

101 Méthode de l’âge de boue
- fonction des objectifs recherchés : stabilisation,nitrification,… La stabilisation est fonction de la température : + rapide en pays chaud d’où un âge de boue plus court (idem pour le taux de croissance de la biomasse autotrophe ) On peut approcher l’effet de la température sur l’âge de boue à partir de la formule suivante : âge de boue (jours) x température (°C) = 250. A partir de l’âge de boue et de la production journalière (quantité de pollution et Ps de boue), on obtient la quantité de boue.

102 Méthode des âges de boue
Exemple : Calculez la quantité de boues dans le bassin d’aération d’une station d’aération prolongée pour une ville de hab. sous deux climats différents (15°C et 25°C). Puis calculez la charge massique et le volume du réacteur avec : flux massique à traiter : 720 kg DBO5/jr PSB = 0,65 kg de MES/ kg de DBO5 appliquée MES dans le réacteur biologique = 4 g/l Taux de MVS des boues = 70 %

103 On trouve : Température 15°C 25°C Age de boue 16,6 jours (250/15)
Flux massique 720 kg de DBO5/jour (12000 X 0,06) Production de boue 720 X 0,65 = 468 kg de MES/jour Quantité de boue 468 X 16,6 = 7769 kg MES 468 X 10 = 4680 kg MES Charge massique Kg de DBO5/kg MES.jr 720/7769 = 0,09 720/4680 = 0,15 Kg MVS (70 %) 0,13 0,21 Volume 1942 m3 1170 m3

104 Kg D’O2/j = DOMat Org + DOendogène + DOnitrif - AOapport dénitrif
Calcul des besoins en O2 Calculer la demande journalière en oxygène en boue  * DOMat Org = a’Le = oxydation de la matière organique Masse de DBO5 éliminée d’où flux de DBO5 apporté x rendement 95 % (AP-fC) a’ fonction du domaine de charge : AP-fC = 0.65 kg d’O2 / kg de DBO5 éliminé  * DOendogène = b’Sv = Auto-oxydation de la boue Quantité de biomasse dans le système ( pas de boue dans le décanteur) b’ respiration endogène 0.07 Quantité d’oxygène nécessaire au métabolisme endogène de 1 kg de biomasse : AP-fC = 0.07 kg d’O2 / kg de MVS (on a 0,7 kg d’O2 /kg de DBO5 éliminée) Kg D’O2/j = DOMat Org + DOendogène + DOnitrif - AOapport dénitrif

105 DJO = DOmo + DOendog + DOnit – AO dénit
Calcul des besoins en O2 * DOnitrif = Oxydation de l’azote nitrifiable Il faut 4.2 kg d’O2 pour oxyder 1 kg d’azote ammoniacal = 4.2 x N nitrifiable Azote ammoniacal disponible à la nitrification = NK entrée - N organique particulaire réfractaire (Nopr) piégé dans les boues - N organique soluble réfractaire (Nosr) rejetée - N assimilé - N rejeté avec l’eau épuré (N-NH4+ rejeté) * AODénitrif = Apport d’ O2 lié à la dénitrification (rétrocession). De l’ordre de 2,85 g d’O2 par g d’azote dénitrifié = 2,85 * NDN D’où une DJO (demande journalière en Oxygène) = DJO = DOmo + DOendog + DOnit – AO dénit

106 Exemple : Calculez les besoins en oxygène journaliers de la station d’épuration (Aération prolongée Traitement du carbone) (température = 15 °C) Donnée : Volume de réacteur = 1942 m3 [MES] = 4 g/l (taux de MVS = 70 %) Flux massique = 720 kg de DBO5/jour Rendement en DBO5 = 95 % Réponse : DO mat.org. = 720 x 0,65 x 95 % = 445 kg d’O2/jour DO resp/endogène = 1942 x 4 x 0,70 x 0,07 = 380 kg d’O2/jour DJO = 825 kg d’O2/j avec 46 % respiration endogène Et 54 % oxydation directe

107 Bassin avec zone d’anoxie
Calcul des besoins en O2 Configuration Bassin unique Bassin avec zone d’anoxie Durée d’aération 14 h 16 à 18 h DHO (demande horaire en oxygène) DJO/14 DJO/16 ou 18 AH’ en boue > DHO

108 Calcul des besoins en O2 AH AH’/0,7 AH’/0,5
Les performances d’aération des aérateurs sont exprimées dans les conditions standard : eau claire, température 20°C, pression normale, …. AH’ (en boues) représente un pourcentage de l’AH eau claire dépendant du type d’aérateurs. Avec Coefficient correcteur global AH Aérateur de surface ou insufflation moyennes bulles 70 % AH’/0,7 Insufflation fines bulles 50 % AH’/0,5

109 Calcul des besoins en O2 A.S.B. Moyen Aérateurs de surface
Turbines lentes 1.5 Turbine rapides 1.05 Brosse 1.55 Insufflation d’air Moyenne bulles 1.0 Fines bulles 2.5 Fines bulles en chenal avec agitation 2.8 Systèmes déprimogènes Pompe + prise d’air 0.6

110 Puissance à installer : courbe donnée par les fournisseurs.
Calcul des besoins en O2 (Insufflation) Avec 0.21 : Pourcentage d’oxygène dans l’air 1.425 : masse volumique de l’oxygène (1.42 g d’O2/ l à 273 °K) ROm : efficacité des diffuseurs par mètre d’immersion en % On retiendra Rom = 4 % sans agitation. Rom = 6 % avec agitation. Puissance à installer : courbe donnée par les fournisseurs.

111 Puissance spécifique minimale
Deux objectifs : - O2 nécessaires aux microorganismes - Puissance a mettre en œuvre pour éviter le dépôt Aération Type Puissance spécifique minimale Profondeur maximale Observations Turbines 30 W /m3 Petites (4 kW) - H = 2,3 m Grosses (25 kW) - H = 3,3 m Dispositif anti-giratoire en bassin circulaire peu profond Brosses 25 W /m3 H = 2,2 m déflecteur à l’aval immédiat de la brosse - déflecteur en périphérie pour optimiser la vitesse du courant Insufflation (fines bulles) 12 à 15 W /m3 < 3,5 m Recommandée en régions froides

112 Temps de fonctionnement des aérateurs selon le niveau de traitement recherché
Élimination du carbone : Temps de fonctionnement optimal 16 à 18 h/j à la charge nominale. 80 % de la charge arrive en 14 h Élimination des composés azotés : Le temps de fonctionnement ne doit pas dépasser 14 h /j , et des périodes d’arrêt maxi de 2 heures sont nécessaires . Tendance actuelle séparation aération / brassage (agitateur grande pales) puissance variable selon la géométrie des bassins : - 3 W /m3 minimum pour une forme annulaire - 12 à 15 W /m3 pour une forme rectangulaire et de grande longueur

113 Autres recommandations :
Favoriser le mélange effluent / boue :cloison siphoïde à l’entrée du bassin ( on limite le risque de court-circuit hydraulique ) Évacuer la liqueur aérée aussi éloigné de l’entrée des eaux à traiter et des retours de boues. Il est recommandé de placer une cloison siphoïde à l’amont de la lame déversante et de minimiser la chute d’eau (air) La conduite de liaison : - > à 150 mm de diamètre - Vitesse 1 m/s

114 Recommandation des aérateurs :
Turbine : - Turbine ouverte préférable aux fermées (risque de colmatage) - Hauteur de revanche de 50 cm, mur extérieur muni d’un acrotère : retour incliné ou horizontal - Démarrage à variation de fréquence. - Poteau de soutien des passerelles éloignés de l’aérateur pour éviter de briser la gerbe. - Présence d’une jupe : facteur favorable aux mousses. Turbine – Brosse : réglage par horloge,plots de 10 minutes. Insufflation : - Surpresseur à double vitesse - Isolation phonique et ventilation du local surpresseur - Possibilité de contrôle du débit d’air :colmatage des rampes - mesures de pression - mesures de débit d’air.

115 3.2 : Le processus de floculation

116 Transforment la pollution Clarification de l’eau
Biologie des boues Bactéries Substrat = Matière organique Protozoaires Métazoaires Transforment la pollution PRODUCTEUR PRIMAIRE Clarification de l’eau Interstitielle

117 Dynamique des populations bactériennes dans les boues activées
> 97 % d’eau Forme dispersée - faible décantation - épuration limitée Forme agglomérée - cas normal Forme filamenteuse foisonnement ou mousses stables ORIGINE Forte pression sélective (substrat. O2)

118 Réserves sucres complexes
Eau résiduaire : substrat nourricier (C,N,P…) ABSORPTION CATABOLISME ANABOLISME  20 % énergie 30 % protoplasme reproduction METABOLISME + O2 Membrane bactérienne Mucilage Réserves sucres complexes + 33 % 66 % Membrane bactérienne

119 Domaine des boues activées
FC – MC – fC – AP S M.V.S. A B C Temps lo’ l DBO5 Croissance exponentielle Croissance ralentie Phase endogène Schéma simplifié de la réduction de la pollution par les bactéries en fonction du temps

120 Edifice biologique Bactéries : Protozoaires : Métazoaires :
META BACTERIES PROTO 102 à /ml 104 /ml 109 /ml Bactéries : - croissance floculée - croissance dispersée - croissance filamenteuse Protozoaires : - flagellés - ciliés (70 % des proto) - actinopodes (amibes) Métazoaires : - rotifères - nématodes

121 Flocs et niches écologiques

122 Flocs et niches écologiques
A – liquide interstitiel B – surface de floc C – débris organiques, intérieur du floc Croissance bactérienne et zooflagellée proportionnelle à la pollution Croissance bactérienne de surface des flocs (flore bactérienne floculée) Faune typique des boues activées répartie en : vorticelle exploitant les bactéries libres, mais ancrée dans la masse du floc, hypotriche exploitant la surface du floc, holotriche exploitant la surface du floc. Faune dont la niche écologique est le liquide interfloc, tous les représentants sont bons nageurs. On distingue : les bactériophages (indice de pollution), les prédateurs de protozoaires (plutôt indice de faible pollution). Faune détritivore = saprophage. Dévore une partie de la matière organique inerte, cadavres de protozoaires etc… Elle restitue une masse remaniée chimiquement au cours du transit intestinal.

123 Vieillissement relatif des habitants d’une boue activée
 bactéries  zooflagellés  ciliés libres  ciliés fixés  rotifères Ce schéma fait apparaître clairement que les caractéristiques faunistiques d’une boue activée à un moment précis de son évolution sont : - l’espèce majoritaire de la biocénose - la diversité des espèces,présentes et leur fréquence relative

124 3.3 : Le clarificateur

125 Le dimensionnement de cet ouvrage dépend surtout de trois facteurs :
- le débit ( le débit maximum horaire ) - la concentration de boue dans le bassin d’aération - et l’aptitude de la boue à décanter Remarque : Les boues activées sont plus légères et plus volumineuse que les matières en suspensions dans les eaux brutes,et de ce fait,elles sédimentent plus lentement.

126 Principe de la décantation
Boue composée de débris minéraux et végétaux,de colloïdes,d’éléments en suspension et en solution,et de micro organismes assurant l’épuration biologique. La décantation correspond à la séparation des deux phases eau-boue en deux temps: Floculation  sédimentation  création d’une interface de boue appelée «voile de boue»

127 Hauteur Temps Courbe de décantation Figure 1 : Tronçon A – B = phase de coalescence (floculation des particules) Tronçon B – C = sédimentation proprement dite : la vitesse de chute des particules est constante Tronçon C – D = phase dite « de compression »

128 Principaux facteurs influençant la décantation
 la nature de la boue ( IB )  concentration de la boue  protocole retenu : taille de l’éprouvette T°C ( viscosité,…) pH… Mesure de l’aptitude de la boue à la décantation: l’indice de boue. Définition : c’est le volume qu’occupe 1 gr de boue après 30 minutes de décantation statique.

129 On note une relation linéaire avec un VD30 < à 300 ml d’où pour des boues concentrées = dilution

130 Résultats Ib < 100 ml/g : les boues sédimentent facilement et sont bien minéralisées (MVS < 60 %) Ib ~ ml/g : conditions normales de fonctionnement Ib > 200 ml/g : problèmes de mauvaise décantabilité. Ces valeurs sont liées : - soit à une prolifération de bactéries filamenteuse (eau surnageante limpide)  fréquentes pertes de boues, accidentelles ou chroniques - soit à des phénomènes de défloculation (eau surnageante trouble) dus à des variations physico-chimiques de la boue.

131 Si l’indice est stable :
Utilisation de l’IB : Pour l’évaluation et le dimensionnement des performances des décanteurs secondaires. Pour la gestion des boues si l’Ib est stable. Si l’indice est stable : - élaboration d’une courbe d’étalonnage : - tests de décantation en éprouvette à différentes concentrations (100 < VD 30’<250 ml) - traçage de la courbe d’étalonnage de la boue (calcul de l’Ib). - vérification de la stabilité de l’Ib - détermination de l’intervalle de concentration correspondant à un fonctionnement correcte de l’installation . La courbe permet de calculer immédiatement la concentration en boue à partir du VD30’ obtenu (en tenant compte du facteur de dilution retenu pour ce test).

132 Exemple : Ib = 150 ml/g (valeur stable)
VD30’ = 220 ml après dilution au 5ème C = 5 x (220/150) =7,3 g/l Possibilité de déterminer facilement l’extraction de boue et de contrôler si la masse extraite a été correcte.

133 L’observation microscopique
- permet d’apprécier la structure particulaire du floc (forme, grosseur, distribution) - permet de rechercher les protozoaires, métazoaires = prédateurs des bactéries - observations des filaments - les associations entre les différentes espèces d’une boue révèlent le fonctionnement du traitement biologique

134 Les décanteurs secondaires
Rôle Séparer le floc formé dans le bassin d’aération de l’eau traitée [MES] à l’entrée du décanteur = plusieurs g/l  Rendement de l’ordre de 99 % [MES] à la sortie = quelques dizaines de mg /l  3 fonctions - retenir le maximum de particules en suspension - concentrer les boues avant leur réintroduction dans le bassin d’aération [MES] - stocker la boue provisoirement lors d’une surcharge hydraulique temporaire et prévisible

135 Définition de la vitesse ascensionnelle
Conditions d’un bon fonctionnement: - respect des règles de conception - gestion rationnelle de la production de boue (donc de la concentration) - maîtrise de la décantation des boues Définition de la vitesse ascensionnelle Appelée également vitesse de hazen ou charge hydraulique superficielle débit de pointe à traiter (m3/h) = surface du décanteur (m2). Elle s’exprime en m3/m2.h Indépendante de la hauteur de l’ouvrage

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137 Vs > appelé charge hydraulique superficielle
t1 < t2 vs = vitesse de chute d’une particule vL = vitesse horizontale du liquide t1 < t2 Vs > appelé charge hydraulique superficielle m3/m2.h ou vitesse ascensionnelle

138 Surface à prendre en compte :
Décanteurs à flux vertical et horizontal:surface au miroir = section du plan d’eau superficielle du clarificateur (déduction faite du clifford pour le décanteur à flux vertical) Décanteurs lamellaires : surface au miroir ou surface totale projetée (STP = [ n-1 ] S cosθ)

139 Présentation des différents types de décanteurs
Ouvrages à flux vertical et à flux horizontal Comportement de la boue activée Décanteur secondaire Cas d’un décanteur à flux horizontal Cas d’un décanteur à flux vertical

140

141 Description - Le bassin
Volume temps de rétention de l’eau en clarification Partie supérieure de l’ouvrage équipé d’une lame déversante et d’une cloison siphoïde = collecte des eaux clarifiées - Cheminée d’alimentation ou « clifford » Dissipation de l’énergie hydraulique Répartition régulière et homogène de la boue - Équipement de reprise des boues Renvoi des boues épaissies dans le bassin d’aération

142 * Caractéristiques du décanteur à flux vertical
- Mécanisme de raclage Pas toujours présent Fixé à un pont mobil Racleur : ramène les boues vers le puit de recirculation * Caractéristiques du décanteur à flux vertical Ouvrages cylindriques, cylindro-coniques ou tronconiques à alimentation centrale (= clifford) Prescription pour les boues activées : ouvrages cylindrique munis de racleur de fond Petits diamètres : 20 à 25 m, rapport rayon / profondeur < 5 Extrémité libre du clifford située entre la moitié et le tiers inférieur de la profondeur  rôle filtrant du «lit de boue»

143 - décanteur cylindro-conique
Pour les installations < 2000 éq.hab Absence d’appareillages mécaniques (fond conique – pente de radier importante) Recirculation : pompage en fond – pompe adjacente Avantage : grand développement du déversoir de reprise de l’eau décantée (faible risque d’entraînement des boues) Inconvénients : - exige une grande profondeur (pente importante) - réservé aux petites collectivités ( terrassement) - décanteur conique Mêmes remarques que précédemment Volume et profondeur inférieurs au cylindro-conique à surface égale

144 - décanteur cylindrique
Implanté pour les surfaces importantes Décanteur raclé à fond plat (raclage par commande centrale ou périphérique) Avantages: Très bon développement de la lame déversante Boues bien épaissies Dispositif d’écumage facile à installer Inconvénients : Long séjour des boues sur le radier  risques de dénitrification et de fermentation des boues très organiques (fortes charges). Ces phénomènes sont évités par la mise en place d’un bras racleur succeur.

145 Rapport longueur / profondeur <10/1
* Caractéristiques du décanteur à flux horizontal Introduction de la boue à l’une des extrémités  favorise la composante horizontale du flux à l’entrée du décanteur : temps T1 (atteinte du fond ) < T2 ( temps de parcours entrée – sortie ) Ouvrages parallélépipédiques Ouvrages circulaires à fort diamètre (25 à 30 m) Rapport longueur / profondeur <10/1 Optimum : longueur de 30 à 40 m profondeur > 3,50 m Rapport r / h > 5

146 (vitesse élevée = entraînement des particules)
Décanteur longitudinal Utilisés pour les grosses collectivités Raclage : - système de va et vient - système de chaîne sans fin Inconvénients:forte hauteur de la lame déversante (vitesse élevée = entraînement des particules)

147 Décanteur lamellaire

148 2) Décanteur lamellaires
* Principales parties de l’ouvrage - zone d’admission de la liqueur aérée dans l’ouvrage - zone d’introduction dans la trémie - fosse à boue - bloc lamellaire (nature du matériau, angle d’inclinaison et écartement des plaques) - dispositif de collecte des eaux clarifiées

149 * Avantages Modules lamellaires inclinés  augmentation de la surface de décantation (STP) pour une plus faible emprise au sol. Permet de traiter des débits plus importants pour une même emprise au sol. Ouvrages plus compact pour un même débit à traiter –Gain de place variable selon la capacité de l’installation (surface de la Zone d’introduction très pénalisante pour les petits ouvrages)  Gain moyen maxi = 4,8 pour eq.hab et un Vc de 200 ml/l (1,8 pour 1000 eq.hab)

150 Définition de la vitesse ascensionnelle limite des ouvrages
Elle dépend de la qualité de la boue (IB) et de sa concentration On parlera de volume corrigé = IB x [MES] Avec la relation suivante :

151 Charge hydraulique superficielle limite admissible dans un décanteur secondaire

152 Cas des décanteurs lamellaires
- Cas des décanteurs à flux vertical et à flux horizontal décanteurs à flux vertical : gain de 30% sur la vitesse limite par rapport aux décanteurs à flux horizontal Va limite = Q pointe / surface au miroir Cas des décanteurs lamellaires Va limite = Q pointe / Surface au miroir ou STP

153 * Si pertes de boue observées lorsque le point (Vc, Va) se trouve dans la zone inférieur de la courbe : - problèmes d’efficacité de la recirculation (débit insuffisant) - problèmes de conception (immersion trop importante du clifford…) - problèmes de foisonnement concentration en MES dans le bassin d’aération trop forte * Si pertes de boue observées lorsque le point (Vc, Va) se trouve dans la zone supérieure de la courbe - Problème de surcharge hydraulique dû à : - un débit moyen de relevage trop important, - un mauvais calage des poires de contact - une diminution de la hauteur de relèvement - un dysfonctionnement du déversoir d’orage sur réseau unitaire

154 Dimensionnement La surface du décanteur est calculée à partir de la charge hydraulique superficielle limite en tenant compte de la profondeur nécessaire de l’ouvrage. La profondeur intervient uniquement sur l’épaississement et le stockage des boues.

155 Démarche Données de base : [MES] maximale de boues activées
Indice de boue Débit de pointe

156 Détermination de la surface du clarificateur
Calcul du volume corrigé Détermination de la vitesse ascensionnelle limite à partir de la courbe Calcul de la surface du décanteur

157 Station = 1000 éq.hab. Q pointe = Q pompe relèvement = 20 m3/h CB (g/l) IB (ml/g) Va (m3.m2.h) Débit admissible en entrée station Situation 1 Situation 2 Situation 3 5 8 150 200 0,6 0,3 0,4 20 m3/h 10 m3/h 13 m3/h

158 Remarque Augmentation de la concentration dans le bassin d’aération
de 3 g/l  diminution du débit admissible de 50 % Augmentation de 30 % de l’Indice de boue  diminution du débit admissible de 50 %

159 Choix de la vitesse ascensionnelle limite
Cas des décanteurs à flux vertical : vitesse limite = 2.56 e-1,93.10 –3.Vc Effluent /type de boues activées Vol. corrigé Ib de réf. (ml/g) [MES] Bassin aération (g/l) Foisonnement Sécuri. Supplé-ment.* Vit.asc. préconisée en m/h (STP) Domestique / AP 700 200 4.5 / 3.5 Très fréquent 25 % des cas - 0.6 Urbain / MC 375 120 à 150 3.5 / 2.5 Possible 1.25 Laiterie / AP 1250 250 6 / 5 Périodique + 0.25 Abattoir / AP 900 150 à 180 Peu prononcé pour exploitat. correcte 0.35 * Charges hydrauliques nominales rapidement dépassées

160 Vit. Hazen limite en m/h (STP)
Cas des décanteurs lamellaires : Vit. Hazen limite = e Vc Type de boues activées Ib (ml/g) [MES] (g/l) Vc (ml/l) Vit. Hazen limite en m/h (STP) Cas le plus fréquent  AP faible charge 150 4 600 0.19 Moyenne charge 120 3 300 0.41 Forte charge 100 2 200 0.67 Rq : AP faible charge : [MES] = 4 g/l maxi afin d’éviter les carences nutritionnelles

161 Déc. à flux vertical et horizontal
Autres points importants Importance de la profondeur des décanteurs Différentes hauteurs Déc. à flux vertical et horizontal Déc. lamellaires 1) Distance : haut des plaques / lame de surverse / 0.50 m 2) Zone eau clarifiée 0.20 m 3) Zone de décantation 0.8 à 1.0 m Vol. occupé par les plaques moins zone d’eau clarifiée 4) Zone de répartition de la liqueur aérée 0.15 à 0.20 m 5) Zone d’épaississement (CBA x I) / 1000 ([MES] x Ib) / 1000 6) Zone de stockage (pointes hydrauliques) et de reprise des boues (C.VBA.I) / X.S réseaux unitaires uniquement Valeur faible X = 1000 ou 500 pour un facteur d’épaississement de 2

162 3.5 m (pour une longueur optimale de 30 à 40 m)
Hauteur en eau totale à la périphérie pour les décanteurs raclés à flux vertical Pas inférieur à 2 m en réseau séparatif 2.5 m en réseau unitaire Surprofondeur : facteur sécurisant sur le plan hydraulique (risque : temps de séjour de la boue) Profondeur minimal des décanteurs à flux horizontal : 3.5 m (pour une longueur optimale de 30 à 40 m)

163 Autres relations Facteur d’épaississement (f)
Il est fonction : - de la qualité de la boue - de la recirculation - de la profondeur du bassin f = (Cr/Ce) : rapport de la concentration des boues recirculées sur la concentration de la liqueur à l’entrée du décanteur

164 Taux de recirculation (t)
Rapport du débit recirculé sur le débit à l’entrée du décanteur (Qr/Qe) Taux de recirculation le plus courant : 100 à 150 % (pour un fonctionnement correct de l’installation) Recirculation trop forte  décantation imparfaite, entraînement de fines, turbulences dans le décanteur trop faible  dénitrification ou fermentation dans le décanteur

165 (Qe + Qr)Ce = QrCr + QeCs soit f = 1 + 1/t (avec QeCs  0)
Équilibre hydraulique Etat correspondant à un niveau relativement stable du voile de boue dans le clarificateur Il est vérifier par la relation exprimant la conservation des flux de matière transitant dans le système : (Qe + Qr)Ce = QrCr + QeCs soit f = 1 + 1/t (avec QeCs  0) 100 % de recirculation : Qr = Qe  Cr = 2 Ce soit f = 2 150 % de recirculation : Qr = 3/2 Qe  Cr 1.66 Ce soit f = 1.66

166 Cr = 1000 / I avec I = Vd 30’ / [MES] boues recirculées
Détermination de la concentration des boues de recirculation (Cr) en fonction de l’Ib Permet de connaître la masse de matière transitant du décanteur vers le bassin d’aération Permet d’apprécier la capacité du décanteur à épaissir les boues Test de décantation sur les boues recirculées : Cr = 1000 / I avec I = Vd 30’ / [MES] boues recirculées ° Ib < 100 ml/g  Cr > 10 g/l (maxi) ° 100 < Ib < 200  5 < Cr < 10 g/l ° Ib > 200  Cr < 5 g/l

167 Temps de séjour dans les décanteurs
Lié à la charge hydraulique superficielle limite  Pour 1 m3/m2.h temps de séjour  2 heures (30 minutes en décantation lamellaire) Fonction du taux de recirculation. Compromis entre la nécessité d’un épaississement suffisant et le maintien en activité de la boue avant son retour dans le bassin d’aération

168 Recommandations techniques supplémentaires
Equipement et génie civil Qualité du revêtement intérieur Rugosités  rétention de paquets de boues évoluant vers l’anaérobiose, ce qui entraîne leur remontée Pente : > 45°, 50° pour les décanteurs coniques

169 Bassin de dégazage S = 1 à 2 m2 On retient en général :
 1 m2 pour 80 m3/h (à partir du débit de pointe d’eaux usées augmenté du débit de recirculation) et par tranche de 2000 éq.hab.  ou 2.5 m2 par tranche de 5000 éq.hab. Première dissipation de l’énergie hydraulique entre le bassin d’aération et le décanteur Évite l’engorgement de la conduite d’alimentation du décanteur par l’air qui provoque indirectement des à-coups hydrauliques (bouchons d’air …) En cas de dénitrification dans le bassin d’aération, piégeage plus ou moins important des mousses formées par les bulles de gaz et le floc entraîné

170 Dispositif d’alimentation du décanteur ou clifford
Fonction répartir uniformément le flux de liqueur aérée et dissiper au maximum l’énergie produite lors du transfert boue activée-décanteur Surface de l’ordre de 1 m2 par tranche de 1000 éq.hab. Vitesse maximale de passage : < 2.5 cm/s (recirculation incluse) Base du clifford : horizontale afin de réduire les turbulences (voile de boue plus agité sur un rayon de 1 à 1.5 m autour du clifford Immersion : Déc. coniques : entre la moitié et le tiers inférieur de la profondeur Déc. cylindriques : ne pas descendre en dessous de la moitié de la hauteur Dans tous les cas : orifice inférieur du clifford pas à moins d’un mètre du fond du décanteur Minimum de 1 m libre entre le débouché des boues et la reprise de la recirculation (sans tenir compte d’un éventuel puits à boues)

171 Dispositif de raclage Racleur de fond et récupération des flottants (mise en place d’une large trémie) Destination des flottants éviter les retours en tête de station Immobilisation possible du racleur dans les pays froids (gel) Existence de système à commande centrale permettant d’éviter ces phénomènes Problème : équipement lourd et onéreux Rotation complète en ¼ heures (turbulences au fond de l’ouvrage évitées)

172 Lame déversante et goulotte de récupération
Goulotte extérieur de préférence (protection par lame siphoïde Auto-nettoyage de la goulotte (balai sur le pont racleur) : Vitesse d’approche sur la lame déversante :  10 cm/s Cas des décanteurs à flux horizontal : la goulotte doit se situer quelques mètres à l’aval (écoulement des boues le long des parois) – Ne pas dépasser 10 m3 par mètre linéaire de surverse

173 Origines possible du dysfonctionnement
Interprétation du test en éprouvette Problèmes de densité Problèmes de floculation Problèmes de compaction Inadaptation des organes de relèvement Gestion non rationnelle de la masse de boue Sous dimensionnement – conception défectueuse du décanteur secondaire Prolifération de bactéries filamenteuses Taux de recirculation de la boue trop faible Anoxie - dénitrification

174 Matières en suspension
 Si pertes de boue :  A – Au dessus de la courbe  dépassement de la vitesse ascensionnelle limite MES et IB Matières en suspension  Indice de boue  Mauvaise gestion de la masse de boue   Conséquences : Cm O2  fermentation, soufre réduit Ø Aspects qualitatifs composition et l’équilibre Ø Aspects quantitatifs : faible Cm Ø Aération et période d’arrêt (< à 2 h) Ø Brassage Ø Flottants : facteurs mécaniques : dénivellé BA / clarificateur jupes autour des turbines (démonter ou à raccourcir) Ø Mauvaise gestion de la filière boue (S réduit)

175 B – En dessous de la courbe  problèmes de conception et de réglages
Problèmes de réglage Ø Hydraulique Mauvais dimensionnement des pompes d’alimentation (hauteur de relèvement)  Ø Clarificateur Clifford (immersion, vitesse) Horizontalité de l’ouvrage Profondeur (< à 2 m en périphérie)  Ø Absence de dégazage Dénivelé important entre BA/clarificateur Minimiser les entraînements de gaz en sortie BA  Ø Génie civil Rugosité des parois Ø  dénitrification Ø  petits ouvrages : recirculation syncopée

176 5 - L'influence de la charge organique spécifique sur la production spécifique de boues
La production spécifique de boues (PSB), mesurée comme matières sèches (MS) ou MES, est à strictement parler, exprimée comme suit:   PSB = kg MS produites ou de MES/kg DB05 éliminée  Puisque le rendement d'élimination des procédés biologiques est normalement supérieur à 90%, on peut également écrire:   PSB = kg MS produites ou de MES /kg DBO5 apportée  La production des boues est le résultat de deux mécanismes distincts: - la croissance bactérienne, - la dégradation des bactéries.(auto-oxydation ou respiration endogène) 

177 3.1 – La recirculation de boue

178 Recirculation des boues activées
Triple fonction Maintenir une concentration donnée en boue dans le bassin d’aération Concentrer la boue au niveau du clarificateur Le temps de séjour des boues est plus élevée que le temps de séjour de l’eau Le taux de recirculation peut-être établi à partir du bilan des matières en condition d’équilibre

179 QE QE QE + QR XBA XBR QR Sortie des boues du clarificateur QR . XBR Entrée des boues dans le clarificateur (QE + QR) . XBA = Où : QE = débit d’entrée QR = débit de recirculation XBA = concentration de boues dans le bassin d’aération XBR = concentration de boues dans la recirculation

180 Entrée des boues dans le clarificateur (QE + QR) . XBA Sortie des boues du clarificateur QR . XBR = QE . XBA + QR . XBA = QR . XBR QE . XBA = QR . XBR – QR . XBA QE . XBA = QR (XBR – XBA)

181 Cela donne : QR/QE = XBA/(XBR - XBA)
QR/Q = taux de recirculation = 100 % = 4/8-4 = 150 %  XBR = 6,66 Facteur d’épaississement = f = 1 + 1/t f = 2  t = 100 % f = 1.67  t = 150 % [XBR] max = 1000/IB Meilleur compromis : 100 % sur QPTP f = 2 150 % sur QPTS f = 1,67

182 Poste de recirculation
Situé à proximité du décanteur – Dimensionné sur le débit de pointe nominal de la station Colmatage important – mais problème minimisé si : Les vitesses dans les conduits sont supérieures à 1 m/s Le nombre de coudes est réduit Le diamètre des conduites est supérieur à 150 mm Dispositif de secours indispensable Installation habituelle : pompe immergée ou vis d’archimède (imbouchable – problème : coût élevé

183 Exemple Calculez les volumes des boues à extraire du clarificateur et du bassin d’aération (données comme ci-avant)pour maintenir un taux de boue constant : flux massique = 720 kg de DBO5 par jour PSB = 0,65 kg de MS/kg de DBO5 appliquée Concentration en MES du BA = 4 g/l Taux de recirculation = 150 %

184 On trouve : Production journalière de boues = 468 kg MS/jour Concentration boues de recirculation = 6,7 kg/m3 Volume à extraire Sur le bassin d’aération = 117 m3/j Sur la conduite de recirculation = 69 m3/j

185 Exemple Calculez le débit de recirculation (sur la pointe d’entrée) pour maintenir les concentrations suivantes : Supposez : concentration de boues bassin d’aération : 4 kg MS/m3 concentration des boues de recirculation : 8 kg MS/m3 Rappel : Ville de Habitants Rejet par habitant = 0,150 m3/jour On trouve : Taux de recirculation : 4/(8-4) = 1 (100 %) Débit journalier m3/j Débit horaire moyen d’entrée 75 m3/h Coefficient de pointe 2,05 débit horaire de pointe 75 x 2,05 = 153,75 m3/h Débit horaire de recirculation 153 m3/h

186 4 – La production de boue

187 IV – La production de boue
En boue activée La production dépend de : la quantité de biomasse vivante à partir d’un kg de DBO5 éliminée (AP = 0.6 kg de MVS/kg de DBO5) la qualité d’auto-oxydation (fraction de matière vivante détruite journalièrement (0.06 à 0.05 kg de MVS / kg de MVS) la quantité de matières minérales apportée par l’effluent la quantité de matières organiques difficilement biodégradable (30 % de MVS de l’effluent entrant) pertes de boues.

188 I - Calcul théorique L'accroissement quotidien des MES dans le bassin d'aération est égal à : avec : Le = masse de DBO5 éliminée par jour. Sv = biomasse présente dans le système en MVS. Smin = masse journ. de matières minérales apportées par l'effluent à traiter = 25 à 35 % des MES de l'effluent entrant. Sdur = masse journalière de MO peu dégradables dans l'effluent à traiter. = 25 à 35 % des MVS de l'effluent entrant. Sf = masse de boues éliminées avec l'effluent de sortie.

189 Valeurs a b Aération prolongée 0.6 0.05 MC / FC 0.55 0.06
a = quantité de biomasse produite à partir d'1kg de DBO5. b = fraction de biomasse détruite quotidiennement par respiration endogène. a b Aération prolongée 0.6 0.05 MC / FC 0.55 0.06

190 II – Calcul rapide Formule simplifiée
Production de boue = k [(flux DBO5 + flux MES)/2] Remarque = réseau unitaire DBO5 peut augmenter de 10 % MES peuvent augmenter de 30 à 40 % k Aération prolongée 0.84 Moyenne charge sans stabilisation* 1.10 Moyenne charge sans « stabilisation » aérobie* 1.03 Moyenne charge avec « stabilisation » anaérobie* * y compris boues primaires On retient 35 à 40 g de MES/EH soit 0.75 kg de MES /kg de DBO5 éliminé (AP)

191 Exemple : Calculez la production de boue (calcul rapide et précis) de notre installation ( habitants) Données : Rendement en DBO5 = 95 % (AP) Réacteur biologique = 4 g de MES/l (70 % MVS) Volume de réacteur = 1942 m3 eaux de sortie [MES] = 10 mg/l Rejet / habitant = 60 g DBO5/jr = 150 l/jr = 50 g MES/jr

192 Réponse : Calcul rapide flux de DBO5 = 60 g x 12000 = 720 kg de DBO5/j
flux de MES = 50 g x = 600 kg de MES/j D’où production de boue journalière = 0,84 ( ) = 554 kg de MVS 2 Calcul précis S = aLe - bSv + S min + S dur – Sf aLe = 0,6 x 720 x 95 % = 410,4 bSv = 0,05 x 1942 x 70 % = 68 S min = 50 g x x 30 % = 180 S dur = 50 g x x 80 % x 30 % = 144 Sf = x 150 x 10 = 18 Production journalière de boue = 410,4 – – 18 = 648 kg

193 5 – Les ouvrages annexes

194 Prétraitements compacts
Fonction : évite les ouvrages suivants :  dégrilleur  dessableur  deshuileur

195 Décantation primaire Piégé une partie de la pollution par sédimentation

196 Zone d’anaérobie Déphosphotation biologique

197 Cas 1 : Zone de contact séparée du bassin d’aération
Objectif : éviter le développement de certaines bactéries filamenteuses Cas 1 : Zone de contact séparée du bassin d’aération 50 % BA DII ZC OB OQB1 OE 100 % Légende : BA = bassin d’aération DI = décanteur primaire QE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaire QB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contact QB1 = débit de recirculation vers le bassin d’aération Za = zone d’anoxie

198 Cas 2 : Zone de contact intégrée au bassin d’aération
ZC BA OE DII QB1 OB Légende : BA = bassin d’aération DI = décanteur primaire QE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaire QB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contact QB1 = débit de recirculation vers le bassin d’aération Za = zone d’anoxie

199 Cas 3 : Zone de contact dans une filière comprenant une décantation primaire
DI 0,3 OE zc OE BA OB1 DII OE Légende : BA = bassin d’aération DI = décanteur primaire QE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaire QB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contact QB1 = débit de recirculation vers le bassin d’aération Za = zone d’anoxie

200 Zone d’anoxie Objectif : élimination de l’azote Eaux usées épurées
Recirculation des nitrates Recirculation des boues 100 à 150 % QJ Extraction QJ 300 à 400 % QJ Bassin d’aération Bassin d’anoxie Dégazage Clarificateur Boues en excès

201 Ouvrages de dégazage Fonction : évite les turbulences à l’entrée
du clarificateur

202 Cas 3 : Zone de contact dans une filière éliminant l’azote
Zone d’anoxie Cas 3 : Zone de contact dans une filière éliminant l’azote BA DII zc OB1 OE 100 % za OB 50 % OB2 300 à 400 %

203 Résultats = a Le = 0,6 x 1176 kg de DBO5 élim. (temps sec) = 705,6 kg de MES /jour. Sv = 4615 m3 (Vol uniquement du BA ) x 4 g/l x 65 % = kg de MVS. d'où b Sv = 0,05 x kg de MVS = 600 kg de MES /jour. Smin = 30 % des MES = 1600 kg de MES x 30 % = 480 kg de MES /jour. Sdur = 30 % des MVS de l'effluent = 1120 kg de MVS x 30 % = 336 kg de MES /jour. Sf = Concentration des MES de l'effluent de sortie = 20 mg/l soit une charge (4000 m3 x 20 mg/L) en MES rejetée de 80 kg de MES /jour. d'où Production totale de boue = 842 kg de MES /jour. kg La production totale de boue par temps de pluie est de 1597 kg de MES/j.