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82 Les Boues Activées Jean Pierre CANLER Groupement de Lyon.

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1 82 Les Boues Activées Jean Pierre CANLER Groupement de Lyon

2 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 daération * volume de louvrage * capacités daération 3.2 : le processus de floculation

3 : Le clarificateur * dimensionnement de louvrage * la recirculation des boues 3.4 : la production de boue 3.5 : les autres ouvrages ou équipements : - prétraitements - décantation primaire - zone de contact - zone danoxie - ouvrage de dégazage 3.6 : la filière boue

4 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 daération clarificateur ou décanteur secondaire eau épurée boue en excès Depuis de nombreuses évolutions et configuration

5 Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique La mise en œuvre du réacteur biologique (ou bassin daération) : Cest 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 dune grande quantité de matière organique bactérienne. Les principales bases de dimensionnement de cet ouvrage : 1. le temps de séjour hydraulique = 2. la concentration en bactéries ou en matières en suspension (Cm) 3. la source doxygène : indispensable à lactivité bactérienne (bactéries aérobies) 4. la qualité de leau recherchée (plus particulièrement leau interstitielle). Dans tous les cas, le réacteur biologique sera suivi dun bassin de sédimentation.

6 87 1.Temps de séjour hydraulique (équivalent à lâge de la boue) : A léquilibre hydraulique (Volume entrant = Volume sortant) Ts hydraulique = Volume du bassin / Volume entrant Lélimination de la matière organique seffectue en trois étapes : - labsorption des matières organiques en solution et facilement biodégradables (DCO sol) - la capture et ladsorption des matières organiques particulaires et colloïdales (70% de la DCO) Suivi de lhydrolyse puis labsorption. Le temps de séjour nécessaire à une bonne épuration est déterminé par létape la plus lente.

7 88 Après 3 jours: -les stocks extra-cellulaires ainsi formés sont dégradés et laissent ainsi les boues en bonne condition pour ladsorption dautres matières organiques. -Comme lAge de la boue = Ts hydraulique et quil doit être dau moins 3 à 4 jours, le volume du réacteur sera égal à 3 à 4 fois le volume collecté journalièrement. Un âge de boue de lordre de 1,5 jours suffit pour éliminer les matières organiques dissoutes.Un âge de boue de lordre de 2,5 à 3 jours suffit pour éliminer les matières organiques colloïdales et particulaires en raison de la phase dhydrolyse préalable DBO 5 - entrée DBO 5 (mg/l) DBO 5 dissoute DBO 5 sortie totale DBO 5 particulaire adsorbé Âge de boues (jr)

8 89 Exemple : Calculez le volume dun bassin daération pour une ville de habitants. Supposez : - rejet par habitant : 0,060 kg DBO 5 /jr 0,150 m 3 /jr - temps de séjour hydraulique : 4 jours On trouve : - flux hydraulique journalier : x 0,15 = 1800 m 3 /jr - volume du bassin : 1800 x 4 = 7200 m 3

9 La concentration en matières en suspension : Quantité de biomasse produite journalièrement = Quantité de biomasse évacuées journalièrement A léquilibre hydraulique : Qe x [DBO 5 ] x P SB = Qs x [Mes] Biomasse formée biomasse évacuée Qe = Qs Donc[ DBO 5 ] x P SB = [ MES ] Pour un effluent classique : [ DBO 5 ] = 300 mg/l, la concentration en MES sera de 0,256 g/l (P SB =0.9 kg de MES / kg de DBO 5 éliminée – rendement 95 %) Doù une très faible concentration de biomasse.

10 La quantité doxygène : abordée plus loin. 4 - La qualité de leau traitée : En sortie du réacteur biologique, leffluent contient encore de la matière organique dite : - dissoute : valeur faible, résiduel < à 10 mg/l de DBO 5 (soit une DCO < à 25 mg/l ), - particulaire : composée de biomasse et de matières solides apportées par les eaux usées et non dégradées.

11 92 Exemple : Calculez la concentration en DBO 5 totale de leffluent de sortie du réacteur biologique et en sortie du clarificateur Avec une concentration en DBO 5 de leffluent à traiter = 300 mg/l Un Ts hydraulique = âge de boue = 4 jours doù un rendement de 95 % sur la DBO 5 Totale Une P S B = 0,9 kg de MS / kg de DBO 5 éliminée On sait quun kg de MES (biomasse)= 1,2 kg de DCO = 0,5 kg de DBO 5 Résultat DBO 5 non traitée (sortie réacteur biologique et sortie clarificateur) 300 mg/l x 95 % = 285 mg/l soit 15 mg/l de DBO 5 non dégradée DBO 5 liée à la biomasse formée (sortie réacteur biologique) 285 mg/l x 0,9 x 0,5 = 128 mg/l de DBO 5 particulaire (biomasse) Soit un effluent de sortie réacteur bio. = 143 mg/l ( mg/l) Doù un rendement du réacteur biologique de 52,3 % ( /300 ) Et un rendement de 95 % en sortie clarificateur (300-15/300)

12 93 En conclusion, La mise en œuvre dun réacteur biologique est relativement simple et le procédé est très fiable. Les contraintes dexploitation sont limitées. Malgré les avantages,on note les inconvénients suivants : - volume douvrage important (ts de 4 jours) qui entraîne des puissances de brassage élevées. - absence de possibilité de traiter lazote(en dehors de lassimilation) : âge de boue trop court. - absence de stabilisation de boues.

13 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, ,5

14 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 DBO 5 en 15 mn DBO 5 soluble 1 à 1,5 jours * le temps de séjour diminué (doù une réduction du volume des ouvrages) laugmentation de lâge de la boue par laugmentation de la quantité de biomasse donc de sa concentration. Cette concentration pourra être accrue par la recirculation des boues issues de louvrage 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 laération prolongée. Cm = 0,1Cv = 0,3 ([DBO 5 ] = 300 mg/l)

15 96 Autres relations Cv notion de temps de séjour

16 97 Dimensionnement : Filière eau 1 - les prétraitements : Dégrilleur – Dessableur – Déshuileur 2 - le réacteur biologique* le volume du réacteur biologique * les capacités daération 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 danaérobie zone danoxie ouvrage de dégazage Filière boue

17 98 Le réacteur biologique : le volume dépend : - de la quantité de boues nécessaire pour traiter la pollution donc de la Cm (donc de lâge 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

18 99 Méthodes des charges massiques * on retient une charge massique (AP car P SB faible, stabilisation des boues, traitement de lazote, qualité de leau élevée) = 0,1 kg de DBO 5 /kg de MVS.jour * une charge de référence de X kg de DBO 5 à traiter * doù charge réf / Cm donne kg de boues

19 100 Exemple : Calculez la quantité de boue puis le volume du bassin du bassin daération dune station dépuration type « aération prolongée » pour une ville de hab. On suppose : rejet par habitant kg DBO 5 /jour charge massique 0.1 kg DBO 5 /kg MVS.j concentration des boues activées 4 kg MES/m 3 et 2.8 kg MVS/m 3 (70% car A.P.) On trouve : - flux massique journalier x = 720 kg de DBO 5 /jour - quantité de boues dans le bassin 720 / 0.1 = kg MVS ou kg MES (720 / 0.07) - volume du bassin / 2.8 = 2571 m 3 (ou 10285/4) Méthode des charges massiques

20 101 Méthode de lâge de boue - fonction des objectifs recherchés : stabilisation,nitrification,… La stabilisation est fonction de la température : + rapide en pays chaud doù un âge de boue plus court (idem pour le taux de croissance de la biomasse autotrophe ) On peut approcher leffet de la température sur lâge de boue à partir de la formule suivante : âge de boue (jours) x température (°C) = 250. A partir de lâge de boue et de la production journalière (quantité de pollution et Ps de boue), on obtient la quantité de boue.

21 102 Exemple : Calculez la quantité de boues dans le bassin daération dune station daération 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 DBO 5 /jr - P SB = 0,65 kg de MES/ kg de DBO 5 appliquée - MES dans le réacteur biologique = 4 g/l - Taux de MVS des boues = 70 % Méthode des âges de boue

22 103 On trouve : Température15°C25°C Age de boue16,6 jours (250/15)10 jours (250/25) Flux massique720 kg de DBO 5 /jour(12000 X 0,06) Production de boue720 X 0,65 = 468 kg de MES/jour Quantité de boue468 X 16,6 = 7769 kg MES 468 X 10 = 4680 kg MES Charge massique Kg de DBO 5 /kg MES.jr720/7769 = 0,09720/4680 = 0,15 Kg MVS (70 %)0,130,21 Volume1942 m m 3

23 104 Calcul des besoins en O 2 Calculer la demande journalière en oxygène en boue * DO Mat Org = aLe = oxydation de la matière organique Masse de DBO 5 éliminée doù flux de DBO 5 apporté x rendement 95 % (AP-fC) a fonction du domaine de charge : AP-fC = 0.65 kg dO 2 / kg de DBO 5 éliminé * DO endogène = bSv = Auto-oxydation de la boue Quantité de biomasse dans le système ( pas de boue dans le décanteur) b respiration endogène 0.07 Quantité doxygène nécessaire au métabolisme endogène de 1 kg de biomasse : AP-fC = 0.07 kg dO 2 / kg de MVS (on a 0,7 kg dO2 /kg de DBO5 éliminée) Kg DO 2 /j = DO Mat Org + DO endogène + DO nitrif - AO apport dénitrif

24 105 Calcul des besoins en O 2 * DO nitrif = Oxydation de lazote nitrifiable Il faut 4.2 kg dO 2 pour oxyder 1 kg dazote ammoniacal = 4.2 x N nitrifiable Azote ammoniacal disponible à la nitrification = NK entrée - N organique particulaire réfractaire (N opr ) piégé dans les boues - N organique soluble réfractaire (N osr ) rejetée - N assimilé - N rejeté avec leau épuré (N-NH 4 + rejeté) * AO Dénitrif = Apport d O 2 lié à la dénitrification (rétrocession). De lordre de 2,85 g dO 2 par g dazote dénitrifié = 2,85 * N DN Doù une DJO (demande journalière en Oxygène) = DJO = DO mo + DO endog + DO nit – AO dénit

25 106 Exemple : Calculez les besoins en oxygène journaliers de la station dépuration (Aération prolongée Traitement du carbone) (température = 15 °C) Donnée : Volume de réacteur = 1942 m 3 [MES] = 4 g/l (taux de MVS = 70 %) Flux massique = 720 kg de DBO 5 /jour Rendement en DBO 5 = 95 % Réponse : DO mat.org. = 720 x 0,65 x 95 % = 445 kg dO 2 /jour DO resp/endogène = 1942 x 4 x 0,70 x 0,07 = 380 kg dO 2 /jour DJO = 825 kg dO 2 /j avec 46 % respiration endogène Et 54 % oxydation directe

26 107 Calcul des besoins en O 2 Configuration Bassin unique Bassin avec zone danoxie Durée daération14 h16 à 18 h DHO (demande horaire en oxygène) DJO/14DJO/16 ou 18 AH en boue > DHO

27 108 Calcul des besoins en O 2 Les performances daération des aérateurs sont exprimées dans les conditions standard : eau claire, température 20°C, pression normale, …. AH (en boues) représente un pourcentage de lAH eau claire dépendant du type daérateurs. Avec Coefficient correcteur global AH Aérateur de surface ou insufflation moyennes bulles 70 % AH/0,7 Insufflation fines bulles50 % AH/0,5

28 109 Calcul des besoins en O 2 A.S.B. Moyen Aérateurs de surfaceTurbines lentes1.5 Turbine rapides1.05 Brosse1.55 Insufflation dairMoyenne bulles1.0 Fines bulles2.5 Fines bulles en chenal avec agitation 2.8 Systèmes déprimogènes Pompe + prise dair0.6

29 110 Calcul des besoins en O 2 Avec 0.21 : Pourcentage doxygène dans lair : masse volumique de loxygène (1.42 g dO 2 / l à 273 °K) ROm : efficacité des diffuseurs par mètre dimmersion en % On retiendra Rom = 4 % sans agitation. Rom = 6 % avec agitation. Puissance à installer : courbe donnée par les fournisseurs. (Insufflation)

30 111 Deux objectifs : - O 2 nécessaires aux microorganismes - Puissance a mettre en œuvre pour éviter le dépôt Type Puissance spécifique minimale Profondeur maximale Observations Turbines30 W /m 3 Petites (4 kW) - H = 2,3 m Grosses (25 kW) - H = 3,3 m Dispositif anti-giratoire en bassin circulaire peu profond Brosses25 W /m 3 H = 2,2 m- déflecteur à laval immédiat de la brosse - déflecteur en périphérie pour optimiser la vitesse du courant Insufflation (fines bulles) 12 à 15 W /m 3 < 3,5 mRecommandée en régions froides Aération

31 112 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 darrêt maxi de 2 heures sont nécessaires. Tendance actuelle séparation aération / brassage (agitateur grande pales) puissance variable selon la géométrie des bassins : - 3 W /m 3 minimum pour une forme annulaire - 12 à 15 W /m 3 pour une forme rectangulaire et de grande longueur

32 113 Autres recommandations : Favoriser le mélange effluent / boue :cloison siphoïde à lentrée du bassin ( on limite le risque de court-circuit hydraulique ) Évacuer la liqueur aérée aussi éloigné de lentrée des eaux à traiter et des retours de boues. Il est recommandé de placer une cloison siphoïde à lamont de la lame déversante et de minimiser la chute deau (air) La conduite de liaison : - > à 150 mm de diamètre - Vitesse 1 m/s

33 114 Recommandation des aérateurs : Turbine : - Turbine ouverte préférable aux fermées (risque de colmatage) - Hauteur de revanche de 50 cm, mur extérieur muni dun acrotère : retour incliné ou horizontal - Démarrage à variation de fréquence. - Poteau de soutien des passerelles éloignés de laérateur pour éviter de briser la gerbe. - Présence dune 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 dair :colmatage des rampes - mesures de pression - mesures de débit dair.

34 : Le processus de floculation

35 116 Biologie des boues Bactéries Substrat = Matière organique Protozoaires Métazoaires Transforment la pollution PRODUCTEUR PRIMAIRE Clarification de leau Interstitielle

36 117 Dynamique des populations bactériennes dans les boues activées BOUE > 97 % deau Forme dispersée - faible décantation - épuration limitée Forme agglomérée - cas normal Forme filamenteuse - foisonnement ou mousses stables - faible décantation ORIGINE Forte pression sélective (substrat. O 2 )

37 118 Membrane bactérienne Eau résiduaire : substrat nourricier (C,N,P…) ABSORPTION CATABOLISMEANABOLISME 20 % énergie 30 % protoplasme reproduction METABOLISME + O 2 Membrane bactérienne Mucilage Réserves sucres complexes + 33 % 66 %

38 119 Domaine des boues activées FC – MC – fC – AP S M.V.S. AB C Temps lo l DBO 5 Croissance exponentielleCroissance ralentiePhase endogène Schéma simplifié de la réduction de la pollution par les bactéries en fonction du temps

39 120 Edifice biologique Bactéries : - croissance floculée - croissance dispersée - croissance filamenteuse META BACTERIES PROTO 10 2 à /ml 10 4 /ml 10 9 /ml Métazoaires : - rotifères - nématodes Protozoaires : - flagellés - ciliés (70 % des proto) - actinopodes (amibes)

40 121 Flocs et niches écologiques

41 122 Flocs et niches écologiques A – liquide interstitiel B – surface de floc C – débris organiques, intérieur du floc 1)Croissance bactérienne et zooflagellée proportionnelle à la pollution 2)Croissance bactérienne de surface des flocs (flore bactérienne floculée) 3)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. 4)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). 5)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.

42 123 Vieillissement relatif des habitants dune boue activée Ce schéma fait apparaître clairement que les caractéristiques faunistiques dune boue activée à un moment précis de son évolution sont : - lespèce majoritaire de la biocénose - la diversité des espèces,présentes et leur fréquence relative bactéries zooflagellés ciliés libres ciliés fixés rotifères

43 : Le clarificateur

44 125 Le dimensionnement de cet ouvrage dépend surtout de trois facteurs : - le débit ( le débit maximum horaire ) - la concentration de boue dans le bassin daération - et laptitude 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.

45 126 Principe de la décantation Boue composée de débris minéraux et végétaux,de colloïdes,déléments en suspension et en solution,et de micro organismes assurant lépuration biologique. La décantation correspond à la séparation des deux phases eau- boue en deux temps: Floculation sédimentation création dune interface de boue appelée «voile de boue»

46 127 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 » Courbe de décantation Hauteur Temps

47 128 la nature de la boue ( IB ) concentration de la boue protocole retenu : taille de léprouvette T°C ( viscosité,…) pH… Mesure de laptitude de la boue à la décantation: lindice de boue. Définition : cest le volume quoccupe 1 gr de boue après 30 minutes de décantation statique. Principaux facteurs influençant la décantation

48 129 On note une relation linéaire avec un VD30 < à 300 ml doù pour des boues concentrées = dilution

49 130 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.

50 131 Utilisation de lI B : Pour lévaluation et le dimensionnement des performances des décanteurs secondaires. Pour la gestion des boues si lIb est stable. Si lindice est stable : - élaboration dune courbe détalonnage : - tests de décantation en éprouvette à différentes concentrations (100 < VD 30<250 ml) - traçage de la courbe détalonnage de la boue (calcul de lIb). - vérification de la stabilité de lIb - détermination de lintervalle de concentration correspondant à un fonctionnement correcte de linstallation. 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).

51 132 Exemple : Ib = 150 ml/g (valeur stable) VD 30 = 220 ml après dilution au 5 ème C = 5 x (220/150) =7,3 g/l Possibilité de déterminer facilement lextraction de boue et de contrôler si la masse extraite a été correcte.

52 133 Lobservation microscopique - permet dapprécier 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 dune boue révèlent le fonctionnement du traitement biologique

53 134 Les décanteurs secondaires Rôle - Séparer le floc formé dans le bassin daération de leau traitée - [MES] à lentrée du décanteur = plusieurs g/l Rendement de lordre 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 daération [MES] - stocker la boue provisoirement lors dune surcharge hydraulique temporaire et prévisible

54 135 Conditions dun 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 (m 3 /h) = surface du décanteur (m 2 ). Elle sexprime en m 3 /m 2.h Indépendante de la hauteur de louvrage

55 136

56 137 v s = vitesse de chute dune particule v L = vitesse horizontale du liquide t1 < t2 Vs >appelé charge hydraulique superficielle m 3 /m 2.hou vitesse ascensionnelle t1 < t2

57 138 Surface à prendre en compte : Décanteurs à flux vertical et horizontal:surface au miroir = section du plan deau 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)

58 139 Présentation des différents types de décanteurs 1)Ouvrages à flux vertical et à flux horizontal Comportement de la boue activée Décanteur secondaire Cas dun décanteur à flux horizontal Cas dun décanteur à flux vertical

59 140

60 141 Description - Le bassin Volume temps de rétention de leau en clarification Partie supérieure de louvrage équipé dune lame déversante et dune cloison siphoïde = collecte des eaux clarifiées - Cheminée dalimentation ou « clifford » Dissipation de lénergie hydraulique Répartition régulière et homogène de la boue - Équipement de reprise des boues Renvoi des boues épaissies dans le bassin daération

61 142 - 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»

62 143 - décanteur cylindro-conique Pour les installations < 2000 éq.hab Absence dappareillages mécaniques (fond conique – pente de radier importante) Recirculation : pompage en fond – pompe adjacente Avantage : grand développement du déversoir de reprise de leau décantée (faible risque dentraînement 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

63 144 - 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 décumage 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 dun bras racleur succeur.

64 145 * Caractéristiques du décanteur à flux horizontal Introduction de la boue à lune des extrémités favorise la composante horizontale du flux à lentrée 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

65 146 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)

66 147 Décanteur lamellaire

67 148 2) Décanteur lamellaires * Principales parties de louvrage - zone dadmission de la liqueur aérée dans louvrage - zone dintroduction dans la trémie - fosse à boue - bloc lamellaire (nature du matériau, angle dinclinaison et écartement des plaques) - dispositif de collecte des eaux clarifiées

68 149 * 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 linstallation (surface de la Zone dintroduction 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)

69 150 Définition de la vitesse ascensionnelle limite des ouvrages Elle dépend de la qualité de la boue (I B ) et de sa concentration On parlera de volume corrigé = I B x [MES] Avec la relation suivante :

70 151 Charge hydraulique superficielle limite admissible dans un décanteur secondaire

71 152 - 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

72 153 * Si pertes de boue observées lorsque le point (Vc, Va) se trouve dans la zone inférieur de la courbe : - problèmes defficacité de la recirculation (débit insuffisant) - problèmes de conception (immersion trop importante du clifford…) - problèmes de foisonnement -concentration en MES dans le bassin daération 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 dorage sur réseau unitaire

73 154 Dimensionnement La surface du décanteur est calculée à partir de la charge hydraulique superficielle limite en tenant compte de la profondeur nécessaire de louvrage. La profondeur intervient uniquement sur lépaississement et le stockage des boues.

74 155 - Données de base : [MES] maximale de boues activées Indice de boue Débit de pointe Démarche

75 156 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

76 157 Station = 1000 éq.hab. Q pointe = Q pompe relèvement = 20 m 3 /h C B (g/l) I B (ml/g) V a (m 3.m 2.h) Débit admissible en entrée station Situation 1 Situation 2 Situation ,6 0,3 0,4 20 m 3 /h 10 m 3 /h 13 m 3 /h

77 158 Remarque Augmentation de la concentration dans le bassin daération de 3 g/l diminution du débit admissible de 50 % Augmentation de 30 % de lIndice de boue diminution du débit admissible de 50 %

78 159 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 / 3.5Très fréquent 25 % des cas -0.6 Urbain / MC à / 2.5Possible-1.25 Laiterie / AP / 5Périodique+0.25 Abattoir / AP à 1806 / 5Peu prononcé pour exploitat. correcte * Charges hydrauliques nominales rapidement dépassées

79 160 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 Moyenne charge Forte charge Rq : AP faible charge : [MES] = 4 g/l maxi afin déviter les carences nutritionnelles

80 161 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 clarifiée0.50 m0.20 m 3)Zone de décantation0.8 à 1.0 mVol. occupé par les plaques moins zone deau clarifiée 4)Zone de répartition de la liqueur aérée /0.15 à 0.20 m 5)Zone dépaississement(C BA x I) / 1000([MES] x Ib) / )Zone de stockage (pointes hydrauliques) et de reprise des boues ( C.V BA.I) / X.S réseaux unitaires uniquement Valeur faible X = 1000 ou 500 pour un facteur dépaississement de 2

81 162 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)

82 163 Autres relations Facteur dépaississement (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 lentrée du décanteur

83 164 Taux de recirculation (t) Rapport du débit recirculé sur le débit à lentrée du décanteur (Qr/Qe) Taux de recirculation le plus courant : 100 à 150 % (pour un fonctionnement correct de linstallation) Recirculation trop forte décantation imparfaite, entraînement de fines, turbulences dans le décanteur trop faible dénitrification ou fermentation dans le décanteur

84 165 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 = % de recirculation : Qr = 3/2 Qe Cr 1.66 Ce soit f = 1.66

85 166 Détermination de la concentration des boues de recirculation (Cr) en fonction de lIb Permet de connaître la masse de matière transitant du décanteur vers le bassin daération Permet dapprécier 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 10 g/l (maxi) ° 100 < Ib < < Cr < 10 g/l ° Ib > 200 Cr < 5 g/l

86 167 Temps de séjour dans les décanteurs Lié à la charge hydraulique superficielle limite Pour 1 m 3 /m 2.h temps de séjour 2 heures (30 minutes en décantation lamellaire) Fonction du taux de recirculation. Compromis entre la nécessité dun épaississement suffisant et le maintien en activité de la boue avant son retour dans le bassin daération

87 168 Recommandations techniques supplémentaires Equipement et génie civil Qualité du revêtement intérieur Rugosités rétention de paquets de boues évoluant vers lanaérobiose, ce qui entraîne leur remontée Pente : > 45°, 50° pour les décanteurs coniques

88 169 Bassin de dégazage S = 1 à 2 m 2 On retient en général : 1 m 2 pour 80 m 3 /h (à partir du débit de pointe deaux usées augmenté du débit de recirculation) et par tranche de 2000 éq.hab. ou 2.5 m 2 par tranche de 5000 éq.hab. Première dissipation de lénergie hydraulique entre le bassin daération et le décanteur Évite lengorgement de la conduite dalimentation du décanteur par lair qui provoque indirectement des à-coups hydrauliques (bouchons dair …) En cas de dénitrification dans le bassin daération, piégeage plus ou moins important des mousses formées par les bulles de gaz et le floc entraîné

89 170 Dispositif dalimentation du décanteur ou clifford Fonction répartir uniformément le flux de liqueur aérée et dissiper au maximum lénergie produite lors du transfert boue activée- décanteur Surface de lordre de 1 m 2 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 dun mètre du fond du décanteur Minimum de 1 m libre entre le débouché des boues et la reprise de la recirculation (sans tenir compte dun éventuel puits à boues)

90 171 Dispositif de raclage Racleur de fond et récupération des flottants (mise en place dune 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 déviter ces phénomènes Problème : équipement lourd et onéreux Rotation complète en ¼ heures (turbulences au fond de louvrage évitées)

91 172 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 dapproche sur la lame déversante : 10 cm/s Cas des décanteurs à flux horizontal : la goulotte doit se situer quelques mètres à laval (écoulement des boues le long des parois) – Ne pas dépasser 10 m 3 par mètre linéaire de surverse

92 173 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

93 174 Si pertes de boue : A – Au dessus de la courbe dépassement de la vitesse ascensionnelle limite MES et I B Matières en suspension Indice de boue Mauvaise gestion de la masse de boue Conséquences : Cm O 2 fermentation, soufre réduit Aspects qualitatifs composition et léquilibre Aspects quantitatifs : faible Cm Aération et période darrêt (< à 2 h) Brassage Flottants : facteurs mécaniques : dénivellé BA / clarificateur jupes autour des turbines (démonter ou à raccourcir) Mauvaise gestion de la filière boue (S réduit)

94 175 B – En dessous de la courbe problèmes de conception et de réglages Problèmes de conception Problèmes de réglage Hydraulique Mauvais dimensionnement des pompes dalimentation (hauteur de relèvement) Clarificateur Clifford (immersion, vitesse) Horizontalité de louvrage Profondeur (< à 2 m en périphérie) Absence de dégazage Dénivelé important entre BA/clarificateur Minimiser les entraînements de gaz en sortie BA Génie civil Rugosité des parois dénitrification petits ouvrages : recirculation syncopée

95 L'influence de la charge organique spécifique sur la production spécifique de boues La production spécifique de boues (P SB ), mesurée comme matières sèches (MS) ou MES, est à strictement parler, exprimée comme suit: P SB = kg MS produites ou de MES/kg DB0 5 éliminée Puisque le rendement d'élimination des procédés biologiques est normalement supérieur à 90%, on peut également écrire: P SB = kg MS produites ou de MES /kg DBO 5 apportée La production des boues est le résultat de deux mécanismes distincts: –- la croissance bactérienne, –- la dégradation des bactéries.(auto-oxydation ou respiration endogène)

96 – La recirculation de boue

97 178 Recirculation des boues activées Triple fonction Maintenir une concentration donnée en boue dans le bassin daération Concentrer la boue au niveau du clarificateur Le temps de séjour des boues est plus élevée que le temps de séjour de leau Le taux de recirculation peut-être établi à partir du bilan des matières en condition déquilibre

98 179 Où : Q E = débit dentrée Q R = débit de recirculation X BA = concentration de boues dans le bassin daération X BR = concentration de boues dans la recirculation Entrée des boues dans le clarificateur (Q E + Q R ). X BA ==== Sortie des boues du clarificateur Q R. X BR QEQE X BA Q E + Q R QEQE X BR QRQR

99 180 Entrée des boues dans le clarificateur (Q E + Q R ). X BA ==== Sortie des boues du clarificateur Q R. X BR Q E. X BA + Q R. X BA = Q R. X BR Q E. X BA = Q R. X BR – Q R. X BA Q E. X BA = Q R (X BR – X BA )

100 181 Cela donne :Q R /Q E = X BA /(X BR - X BA ) Q R /Q = taux de recirculation = 100 % = 4/8-4 = 150 % X BR = 6,66 Facteur dépaississement = f = 1 + 1/t f = 2 t = 100 % f = 1.67 t = 150 % [X BR ] max = 1000/I B Meilleur compromis : 100 % sur Q PTP f = % sur Q PTS f = 1,67

101 182 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 darchimède (imbouchable – problème : coût élevé

102 183 Exemple Calculez les volumes des boues à extraire du clarificateur et du bassin daération (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 %

103 184 On trouve : Production journalière de boues= 468 kg MS/jour Concentration boues de recirculation= 6,7 kg/m 3 Volume à extraire Sur le bassin daération = 117 m 3 /j Sur la conduite de recirculation = 69 m 3 /j

104 185 Exemple Calculez le débit de recirculation (sur la pointe dentrée) pour maintenir les concentrations suivantes : Supposez : - concentration de boues bassin daération : 4 kg MS/m 3 - concentration des boues de recirculation : 8 kg MS/m 3 Rappel : Ville de Habitants Rejet par habitant = 0,150 m 3 /jour On trouve : Taux de recirculation : 4/(8-4) = 1 (100 %) Débit journalier1800 m 3 /j Débit horaire moyen dentrée75 m 3 /h Coefficient de pointe2,05 débit horaire de pointe 75 x 2,05 = 153,75 m 3 /h Débit horaire de recirculation153 m 3 /h

105 186 4 – La production de boue

106 187 IV – La production de boue la quantité de biomasse vivante à partir dun kg de DBO 5 éliminée (AP = 0.6 kg de MVS/kg de DBO 5 ) la qualité dauto-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 leffluent la quantité de matières organiques difficilement biodégradable (30 % de MVS de leffluent entrant) pertes de boues. En boue activée La production dépend de :

107 188 I - Calcul théorique L'accroissement quotidien des MES dans le bassin d'aération est égal à : avec : Le = masse de DBO 5 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.

108 189 Valeurs a = quantité de biomasse produite à partir d'1kg de DBO 5. b = fraction de biomasse détruite quotidiennement par respiration endogène. ab Aération prolongée MC / FC

109 190 II – Calcul rapide Formule simplifiée Production de boue = k [(flux DBO 5 + flux MES)/2] Remarque = réseau unitaire DBO 5 peut augmenter de 10 % MES peuvent augmenter de 30 à 40 % k Aération prolongée0.84 Moyenne charge sans stabilisation*1.10 Moyenne charge sans « stabilisation » aérobie*1.03 Moyenne charge avec « stabilisation » anaérobie*0.84 * y compris boues primaires On retient 35 à 40 g de MES/EH soit 0.75 kg de MES /kg de DBO 5 éliminé (AP)

110 191 Exemple : Calculez la production de boue (calcul rapide et précis) de notre installation ( habitants) Données : Rendement en DBO 5 = 95 % (AP) Réacteur biologique = 4 g de MES/l (70 % MVS) Volume de réacteur = 1942 m 3 eaux de sortie [MES] = 10 mg/l Rejet / habitant = 60 g DBO 5 /jr = 150 l/jr = 50 g MES/jr

111 192 Réponse : Calcul rapide flux de DBO 5 = 60 g x = 720 kg de DBO 5 /j flux de MES = 50 g x = 600 kg de MES/j Doù 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

112 193 5 – Les ouvrages annexes

113 194 Prétraitements compacts Fonction : évite les ouvrages suivants : dégrilleur dessableur deshuileur

114 195 Décantation primaire Piégé une partie de la pollution par sédimentation

115 196 Zone danaérobie Déphosphotation biologique

116 197 Zone de contact Objectif : éviter le développement de certaines bactéries filamenteuses Cas 1 : Zone de contact séparée du bassin daération 50 % BA DII ZC OB OQB1 OE 100 % Légende : BA = bassin daération DI = décanteur primaireQE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaireQB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contactQB1 = débit de recirculation vers le bassin daération Za = zone danoxie

117 198 Cas 2 : Zone de contact intégrée au bassin daération ZC BA OE DII QB1 OB Légende : BA = bassin daération DI = décanteur primaireQE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaireQB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contactQB1 = débit de recirculation vers le bassin daération Za = zone danoxie

118 199 Cas 3 : Zone de contact dans une filière comprenant une décantation primaire OE DI 0,3 OE zc OE BA OB1 DII Légende : BA = bassin daération DI = décanteur primaireQE = eau usée à traiter (prétraitée) DII = décanteur secondaireQB = débit de boue recirculée dans la zone de contact zc = zone de contactQB1 = débit de recirculation vers le bassin daération Za = zone danoxie

119 200 Zone danoxie Objectif : élimination de lazote Eaux usées Eaux épurées Recirculation des nitrates Recirculation des boues 100 à 150 %QJExtraction QJ 300 à 400 %QJ Bassin daération Bassin danoxie Dégazage Clarificateur QJ Boues en excès

120 201 Ouvrages de dégazage Fonction : évite les turbulences à lentrée du clarificateur

121 202 Zone danoxie BA DII zc OB1 OE 100 % za OB 50 % OB2 300 à 400 % Cas 3 : Zone de contact dans une filière éliminant lazote

122 203 Résultats = a Le = 0,6 x 1176 kg de DBO 5 élim. (temps sec) = 705,6 kg de MES /jour. Sv = 4615 m 3 (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 m 3 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.


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