CH633238A5 - Traitement d'eaux usees. - Google Patents

Description

Cette invention concerne un procédé de traitement d'eaux usées avec un agent adsorbant et un contacteur biologique rotatif.

On dispose de plusieurs méthodes pour le traitement biologique des eaux usées municipales et industrielles. Les méthodes couramment utilisées sont le procédé de boues activées utilisant l'air et l'oxygène pur et le filtre à ruissellement (filtre bactérien). Plus récemment, le contacteur biologique rotatif, par exemple comme celui décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3557954, a trouvé une application dans laquelle une série de disques portés par un arbre commun tournent dans la masse des eaux usées, alternativement en immergeant dans le liquide une pellicule biologique formée sur le disque et en exposant la pellicule à l'air au-dessus du liquide pour obtenir l'oxygène destiné à maintenir une pellicule biologique sur la surface du disque pour effectuer l'oxydation biologique des eaux usées. Une consommation d'énergie réduite pour le transfert d'oxygène est obtenue dans un tel système qui peut être conçu pour diverses applications allant de l'élimination de la DBOs carbonée ordinaire (DBOs=demande biologique en oxygène à 5 d) à la nitrification biologique.

Le concept général consistant à faire passer les eaux usées à contre-courant du charbon activé se déplaçant continuellement pour éliminer les matières organiques de l'eau est décrit dans le brevet des E.U.A. No 3763040.

Plus récemment, il a été suggéré d'ajouter du charbon activé en poudre au procédé utilisant des boues biologiques pour améliorer les caractéristiques du système de boues activées, comme décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3904518. Les bénéfices revendiqués sont une stabilité améliorée, une meilleure séparation du liquide et des solides et un degré de traitement supérieur. Le procédé décrit dans le brevet des E.U.A. N° 3904518 est un système de contact de bouillie en suspension, en un seul stade, dans lequel le charbon est mis en contact seulement avec la concentration à l'équilibre de matières organiques adsorbables des eaux usées en présence de boues activées. Pour un contact plus efficace du charbon avec les substances adsorbables, il est indiqué d'effectuer un contact à contre-courant avec l'eau pour exposer le charbon par portions ou continuellement à une concentration supérieure de substances adsorbables dans les eaux usées.

La publication de brevet japonais N° 139169/76 décrit une méthode de traitement biologique des eaux usées, comprenant le contact des eaux usées avec du charbon activé fixé à la surface d'un lit ou d'un disque fixe.

Au fur et à mesure du développement d'exigences de traitement des eaux usées plus importantes, il est devenu nécessaire de consommer de plus grandes quantités d'énergie. Par exemple, quand on désire l'oxydation des matériaux azotés réduits, les exigences en oxygène sont nettement accrues et nécessitent une plus grande consommation d'énergie. En outre, les durées de séjour plus longues des cellules entraînent une transformation plus importante de la masse cellulaire en C02 et H20, nécessitant un transfert d'oxygène et une consommation d'énergie encore plus importants. En outre, les exigences de traitement plus contraignantes peuvent rendre nécessaire l'addition d'un traitement tertiaire pour éliminer les substances organiques résiduelles ainsi que toutes substances organiques toxiques présentes dans les eaux usées.

L'invention concerne un procédé de traitement des eaux usées comprenant les étapes suivantes qui consistent:

a) à mettre les eaux usées formant un courant dans une zone de traitement en contact avec une série de surfaces alternativement immergées dans le liquide et dans le gaz, généralement l'air, qui se trouve au-dessus du liquide, pendant une période d'au moins 'A h en ajoutant au contacteur un adsorbant pouvant adsorber les impuretés du liquide, et b) à enlever les solides en suspension dans la zone de contact à une vitesse quivalant à la vitesse à laquelle les solides s'accumulent dans le contacteur.

L'agent adsorbant préféré est le charbon activé en poudre, bien que l'on envisage l'utilisation de charbon activé en grains ou d'autres . adsorbants comme la terre à foulon, la cendre volante, etc. Un intervalle préféré de concentration en adsorbant est de 25 à 5000 mg/1.

On va maintenant décrire l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels:

les fig. 1 et 2 représentent le procédé de base, et les fig. 3,4 et 5 illustrent des modes de réalisation détaillés permettant d'effectuer le contact à contre-courant de la suspension de biomasse et de charbon avec la phase liquide.

Considérons la fig. 1 ; les eaux usées brutes pénétrant en 10 subissent un traitement préliminaire consistant en un tamisage et une élimination des déchets dans un dispositif 12 approprié et passent à une étape de traitement primaire éventuel consistant normalement en une simple sédimentation en 14 où les solides flottants en suspension et les solides décantés peuvent être enlevés, comme par la conduite 16, et rejetés par des moyens classiques 18. Les eaux usées décantées traversent ensuite une conduite 20 jusqu'à un bassin 22 dans lequel une série de disques 24 sont montés sur un arbre commun 25 et sont mis en rotation par des moyens appropriés pour se trouver alternativement dans le liquide du bassin et dans l'espace gazeux au-dessus du liquide. Normalement, l'écoulement dans le bassin se fait dans un sens parallèle à l'arbre et perpendiculaire au plan des disques rotatifs. Dans certains cas, l'écoulement est perpendiculaire à l'arbre et parallèle aux disques rotatifs.

On ajoute du charbon activé en poudre au mélange dans le bassin comme en 26 par exemple, pour permettre l'adsorption des substances biodégradables et non biodégradables contenues dans les eaux usées. Le taux d'addition du charbon varie selon le degré de traitement nécessaire ainsi que selon la composition et les caractéristiques de la substance adsorbable contenue dans les eaux usées. Normalement, de 10 à 500 mg/1 d'eaux usées traitées sont nécessaires mais, pour certaines eaux usées industrielles, des quantités aussi importantes que 5000 mg/1 d'eaux usées peuvent être nécessaires.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

633 238

La pellicule formée sur la surface du disque consiste en un mélange de biomasse et d'adsorbant (charbon activé). On a observé de façon surprenante que la pellicule a la propriété inhabituelle d'accumuler l'adsorbant dans sa structure, en entraînant ainsi l'adsorbant sur la surface du disque avec la biomasse. Le rapport de la masse d'organismes biologiques au charbon activé dépendra essentiellement du temps de séjour des matières solubles dans le système et de la composition des eaux usées que l'on introduit dans le système. On verra, d'après les exemples qui suivent, que l'adsorbant non seulement aide à enlever les matières adsorbables des eaux usées, mais a également l'effet d'augmenter de façon substantielle la durée de séjour des substances adsorbables et lentement biodégradables, et a également l'effet d'augmenter de façon importante le temps de séjour global des matières solides dans le système.

Cet effet est intéressant quand on désire la nitrification (oxydation biologique de l'azote ammoniacal), car il permet l'accumulation des bactéries nitrifiantes à croissance lente.

Un autre avantage inattendu provenant de l'addition de charbon activé à la zone de contact du contacteur biologique rotatif est la tendance du charbon à réduire le moussage. Dans de nombreuses applications, la vitesse de rotation du contacteur est limitée, entre autres choses, par la tendance au moussage qui se produit dans le contacteur. Le moussage peut se produire en raison de la présence dans les eaux usées de substances tensio-actives ou en raison de la présence de matériaux organiques exogènes tensio-actifs produits par les organismes eux-mêmes. Comme la plupart, si ce n'est la totalité, de ces matériaux sont adsorbés sur le charbon activé, le moussage est réduit ou éliminé, ce qui permet des vitesses de rotation plus élevées et un transfert d'oxygène concomitant plus élevé.

Un autre résultat surprenant de l'addition de charbon activé au contacteur biologique rotatif est l'effet de l'addition du charbon sur le taux global de transfert de masse de l'oxygène. Des mesures du taux global de transfert de masse d'oxygène (KLa) dans le contacteur montrent qu'il est de 25% supérieur à ceux obtenus dans le contacteur biologique normal. Le taux de transfert de masse amélioré a un double effet sur les caractéristiques du contacteur. Premièrement, un taux de transfert plus élevé permet des vitesses de rotation plus lentes et donc des coûts en énergie plus faibles; deuxièmement, le profil d'oxygène à travers la pellicule sur le disque est amélioré en fournissant une pénétration plus profonde dans la pellicule avec une masse biologique aérobie active résultante plus grande. Cet effet est particulièrement important dans les systèmes nitrifiants où les organismes nitrifiants doivent être exposés à des concentrations d'oxygène dissous supérieures à 0,5 mg/1 pour être efficaces.

Bien que l'on puisse ajouter le charbon à divers points dans le bassin, on peut obtenir des avantages en ajoutant le charbon en divers points sur toute la longueur du bassin. Par exemple, comme représenté sur la fig. 3, si l'on ajoute le charbon uniformément sur la longueur du bassin et que l'on enlève les solides en 28,28-1,28-2 et 28-N sur la longueur, le contact par le charbon consiste essentiellement en une série de contacteurs à un seul étage. Le taux d'addition à chaque point peut varier pour maîtriser la charge de charbon de façon à satisfaire les exigences de traitement de chaque étage successif.

Comme on le sait, dans les systèmes d'adsorption, il est indiqué de charger plus efficacement l'adsorbant du produit adsorbé en déplaçant l'adsorbant à contre-courant du produit adsorbé. Dans les systèmes en suspension, cela est généralement effectué en prévoyant une étape de séparation après chaque étage de contact. Les solides séparés à chaque étage sont déplacés vers l'amont, à contre-courant du courant liquide. La fig. 4 montre comment cela peut être effectué dans un contacteur biologique rotatif, en introduisant l'adsorbant (charbon activé) à l'extrémité aval et en prévoyant un moyen permettant de déplacer le charbon vers l'amont, de telle sorte que les particules se séparant à la partie inférieure du contacteur tendent à se déplacer à contre-courant le long de la partie inférieure du bassin en fournissant un nombre quelconque d'étages à contre-courant équivalents, en fournissant ainsi une efficacité d'adsorption maximale du charbon. On peut utiliser divers moyens pour effectuer le mouvement à contre-courant des solides. Par exemple, les disques peuvent être montés dans une chambre ayant un fond en pente, de sorte que les particules en suspension ont tendance à se déplacer vers l'amont dès qu'elles sont déplacées à la partie inférieure de la chambre.

Pour les systèmes dans lesquels l'écoulement est introduit perpendiculairement à l'arbre et parallèlement aux disques, une série d'arbres parallèles, tournant de telle sorte que le sens de rotation du disque dans le liquide soit à contre-courant de l'écoulement, produira un mouvement à contre-courant des solides dans le système.

Ou bien la périphérie de chaque disque 24 peut être munie de lames 30, dirigeant l'écoulement net de solides à contre-courant, comme illustré sur la fig. 5. Une relation éventuelle existe entre l'angle d'attaque des lames, la vitesse effective du mouvement à contre-courant et la consommation d'énergie nécessaire pour faire tourner le disque.

Dans un autre mode de réalisation, le disque peut être conçu de telle sorte que sa périphérie prend la forme d'une vis avec un petit angle de pente de sorte que, quand le disque tourne, les solides sont poussés vers l'amont. La face aval peut rester plate ou prendre de préférence la forme correspondante de la face amont.

D'autres procédés d'obtention de l'écoulement à contre-courant seront évidents en étudiant les exemples suivants. Le principe fondamental impliqué dans ce qui précède est que l'agent adsorbant ajouté se déplace à contre-courant de la majeure partie du milieu liquide, en effectuant ici des charges d'adsorption supérieures.

En pratique, il n'est jamais possible d'effectuer une séparation totale des solides en suspension dans la chambre dans laquelle les disques tournent en raison de la turbulence créée par le disque en rotation. Pour obtenir une séparation améliorée, on prévoit éventuellement une chambre de repos à l'extrémité aval du contacteur comme en 32, fig. 2. La chambre de repos a un fond 34 fortement en pente qui dirige les solides en amont dans la région où les disques peuvent les diriger encore plus en amont. Ou bien on peut prévoir un mécanisme collecteur classique pour transporter matériellement les solides jusqu'à la région des disques pour le transfert à contre-courant en amont.

De même, on peut prévoir un second clarificateur 36 pour mieux clarifier le courant liquide. Le matériau décanté dans ce clarificateur comme en 38, peut être dirigé à l'extrémité d'entrée de la chambre de contact comme par la conduite 39, fig. 1, ou bien il peut être mélangé au sous-écoulement du contacteur en 42 pour un autre traitement, par exemple régénération du charbon adsorbant ou rejet des solides.

Le charbon vierge peut être ajouté au système pour effectuer le finissage de l'effluent dans le cas où l'on régénère le charbon épuisé.

Le charbon épuisé en 42, ainsi que la biomasse associée, peut être éventuellement épaissi et rejeté par des moyens classiques 44, ou bien il peut être régénéré comme en 46 et renvoyé au contacteur pour la réintroduction dans l'étape de traitement à divers points du contacteur, via la conduite 48.

Les eaux usées traitées 40 peuvent ensuite être encore traitées par un filtre à sable classique 50 et désinfectées et déchargées dans le cours d'eau récepteur. Les matières solides en suspension capturées dans le filtre à sable peuvent être lavées en retour et renvoyées en amont à l'un quelconque des points amont du système représenté sur la fig. 1. D'autres configurations sont possibles. Par exemple, une nitrification biologique et une dénitrification biologique peuvent être obtenues en faisant fonctionner un premier stade dans des conditions aérobies pour effectuer l'oxydation de l'ammoniac et en utilisant un stade d'élimination de l'azote dans des conditions anaérobies pour effectuer la dénitrification de l'azote des nitrites et des nitrates en azote élémentaire.

Les exemples suivants sont donnés pour illustrer le procédé.

Exemple 1:

Le contacteur rotatif biologique de laboratoire consiste en 52 disques de polyéthylène de 25 cm de diamètre et de 6,3 mm

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

633238

4

d'épaisseur suspendus à un arbre horizontal et placés dans un réservoir de 201 hémisphérique équipé d'un décanteur conique près de son extrémité de sortie. Lorsque les disques tournent, environ 40% de leur superficie est immergée dans le liquide. On dose à une extrémité du réservoir un effluent primaire d'égout domestique. Le liquide mélangé sort à l'extrémité opposée dans un clarificateur équipé d'une pale à mouvement lent. On utilise deux conduites de recyclage pour renvoyer les produits décantés épaissis du clarificateur et du décanteur conique à l'extrémité d'entrée du réservoir à des vitesses de 40 ml/min et 12 ml/min respectivement.

On fait fonctionner initialement le système sur l'effluent primaire pendant 19 d pour accumuler des couches de biomasse sur les disques. Pendant les 8 d suivants, on obtient dans le système des données sur des échantillons prélevés continuellement. Au 28e jour d'opération, on ajoute près de l'entrée du réservoir 300 g de charbon activé. On soutire du cône quotidiennement, pendant les 38 d suivants, 11 de liqueur mixte et on ajoute au réservoir 15,0 g de charbon activé sec. On filtre la liqueur mixte contenant de la biomasse et du charbon. On obtient des poids de gâteaux de filtration secs compris entre 0,3 et 26,4 g. On maintient pendant toute l'expérience un débit d'alimentation d'environ 100 ml/min. On utilise des vitesses de rotation de 6 et 10 tr/min pour maintenir l'intervalle en oxygène dissous de 0,5 à 5,0 et de 0,6 à 6,0 mg/1 dans les systèmes sans et avec charbon. Les caractéristiques moyennes des courants sont données dans le tableau I.

On notera que le système fonctionnant avec le charbon présente une meilleure réduction de la DCO et de la DBOs ainsi qu'une meilleure nitrification que le système fonctionnant sans charbon.

Tableau I

Sans charbon

Avec charbon

Charge

Effluent

Charge

Effluent

DCO (mg/1)

160

72

186

36

% de réduction de DCO

-

54

-

81

DBO (mg/1)

64

16

34

2

% de réduction de DBO

-

75

-

94

Azote total Kjeldahl

(mg/1)

43,3

31,9

50,5

14,4

% total de réduction

d'azote Kjeldahl

-

26

-

71

Solides en suspension

(mg/1)

32

24

38

9

Cendres en suspension

(mg/1)

9

3

17

2

Azote ammoniacal (mg/1)

-

-

39,8

10,5

Nitrites en azote (mg/1)

-

1

0,1

1,5

Nitrates en azote (mg/1)

-

1

1,5

27,8

Phosphore total (mg/1)

9,4

8,7

12,5

11,5

pH

7,3

7,3

7,2

6,6

Exemple 2

On utilise l'appareil décrit dans l'exemple 1 avec un débit d'alimentation d'environ 200 ml/min pendant 30 d. On n'obtient pas de données comparatives pour le système sans charbon. Les valeurs pour la demande chimique en oxygène, la demande biologique en oxygène et les réductions de la teneur en azote Kjeldahl de ces systèmes sans charbon au débit d'alimentation plus rapide ne dépasseraient pas les chiffres obtenus pour le débit de 100 ml/min, indiqués dans l'exemple 1. Les poids de gâteaux de filtration secs quotidiens varient de 4,08 à 26,14 g et sont en moyenne de 11,50 g/d. Les données moyennes pour l'expérience à 200 ml/min sont données dans le tableau II.

Tableau II

Avec charbon

Charge

Effluent

DCO (mg/1)

215

49

% de réduction de DCO

-

77

DBOs (mg/1)

60

7

% de réduction de DBO

-

88

Azote total Kjeldahl (mg/1)

48,9

12,7

% total de réduction d'azote Kjeldahl

74

Solides en suspension (mg/1)

45

7

Cendres en suspension (mg/1)

7

2

Azote ammoniacal (mg/1)

40,2

5,2

Nitrites en azote (mg/1)

0,1

1,1

Nitrates en azote (mg/1)

1

23,2

Phosphore total (mg/1)

14,6

13,1

pH

6,9

6,9

On notera qu'en dépit du doublement du débit d'alimentation dans le système, on obtient des réductions de DB05 et de DCO comparables et une nitrification de l'azote ammoniacal comparable aux résultats de l'exemple 1.

Exemple 3

On modifie l'appareil décrit dans l'exemple 1 pour obtenir un écoulement à contre-courant du charbon activé et de l'effluent d'eaux usées primaire. On déplace le décanteur conique à l'entrée du réservoir. Les suspensions de recyclage du clarificateur et du décanteur conique plus le charbon vierge sont introduits près de la sortie du réservoir. La suspension de charbon épuisée est soutirée quotidiennement du décanteur conique. On utilise des débits d'alimentation moyens de 111 ml d'effluent primaire par minute et de 9 mg de charbon activé par litre d'effluent. On enlève quotidiennement une moyenne de 16,1 g de solides secs. Les données analytiques moyennes sont données dans le tableau III.

Tableau III

Charge

Effluent

DCO (mg/1)

227

43

% de réduction de DCO

-

81

DBOs (mg/1)

60

7

% de réduction de DBO

-

88

Azote total Kjeldahl (mg/1)

48,9

12,7

% total de réduction d'azote Kjeldahl

-

74

Solides en suspension (mg/1)

28

6

Cendres en suspension (mg/1)

2

1

Azote ammoniacal (mg/1)

47,4

11,8

Nitrites en azote (mg/1)

0,1

0,5

Nitrates en azote (mg/1)

1,5

17,0

Phosphore total (mg/1)

16,0

14,7

pH

6,5

6,3

Exemple 4

Pour illustrer l'effet de l'addition de charbon activé au contacteur sur le taux de transfert de masse global de l'oxygène, on effectue des essais selon les procédés décrits par Eckenfelder et Ford ["Expérimental Procédures for Process Design", «Water Pollution Control», Pemberton Press, Jenkins Publishing Co., Austin, Tex. (1970)] pour déterminer a, le rapport du taux de transfert de masse d'oxygène dans la suspension de charbon et de biomasse et dans la biomasse seule. Le tableau ci-dessous donne les valeurs a observées:

K> a des eaux usées

Alpha (a) =

KLa de l'eau du robinet

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

633238

Eaux usées

Système

Système biologique

biologique plus charbon

Pharmaceutiques

-

2,43

Domestiques

0,82

1,27

Municipales/industrielles

0,81

1,05

L'addition de charbon a pour effet d'augmenter de façon rapport au système biologique et permet un transfert d'oxygène importante le taux de transfert de masse d'oxygène global (KLa) par 10 équivalant à des vitesses périphériques nettement réduites.

2 feuilles dessins

Claims (6)

633238

1. Procédé de traitement d'eaux usées, caractérisé par les étapes suivantes consistant:

a) à mettre en contact les eaux usées formant un courant dans un contacteur biologique qui comporte une série de surfaces alternativement immergées dans le liquide et le gaz au-dessus du liquide, pendant une période d'au moins Vi h, en ajoutant au courant un adsorbant pouvant adsorber les impuretés du liquide, et b) à enlever du contacteur les matières solides en suspension accumulées à une vitesse équivalant à la vitesse à laquelle les matières solides s'accumulent dans le contacteur.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adsorbant est du charbon activé en poudre.

2

REVENDICATIONS

3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ajoute l'adsorbant à l'extrémité aval du contacteur biologique et qu'il est déplacé par les surfaces du contacteur à contre-courant de la masse de l'écoulement liquide.

4. Procédé selon l'une des revendications 1,2 ou 3, caractérisé en ce que la quantité d'adsorbant ajoutée est comprise entre 25 et 5000 mg/1.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on enlève les matières solides des eaux usées avant l'étape de contact.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les surfaces de contact consistent en une série de disques montés sur un arbre commun qui tournent de façon à immerger le disque et sa pellicule biologique associée alternativement dans le liquide et dans le gaz au-dessus du liquide.