Soutenance mémoire
Les principaux types de traitement des eaux usées
PARTIE EXPÉRIMENTALE
Présentation de l’installation de traitement
Le traitement des effluents de la CBGS s’effectue par une installation (figure 1) qui comprend essentiellement un ouvrage dans lequel sont maintenus des micro-organismes aérobies (qui ont besoin d’oxygène) qui dégradent la matière organique en la transformant en matière minérale. Le traitement se réalise dans un bassin d’aération dans lequel est maintenu en suspension un mélange eaux usées – bactéries aérobies, appelé « boues activées » ou « liqueur mixte ». Les phénomènes mis en jeu sont donc les mêmes que ceux que l’on peut observer dans une rivière ou dans un lac, à la différence que les micro-organismes sont concentrés en très grand nombre dans un espace réduit (le bassin d’activation).
L’apport d’oxygène et le brassage du mélange « eaux usées – bactéries » sont assurés par des systèmes mécaniques : pont brosse, turbine ou insufflateur d’air. Les micro-organismes qui dégradent la pollution s’agglomèrent entre eux et forment un floc décantable, qui est ensuite séparé de l’eau dans un clarificateur. La pollution ainsi traitée est transformée en matière plus concentrée et décantable, les boues. Ces boues sont piégées dans les ouvrages au niveau des clarificateurs. Riches en matière organique, les boues doivent être stabilisées, c’est-à-dire transformées, au moins partiellement, en matière minérale.
L’ensemble des éléments de cet ouvrage sont contrôlés de manière automatique à l’aide d’un automate (figure 2), c’est-à-dire sans l’intervention d’opérateur. Ce comportement peut être figé, le système fera toujours la même chose, ou bien peut s’adapter aux conditions et aux paramètres instantanés de la station.
Choix du type de traitement
Bases du choix de traitement biologique à boues activées :
Les traitements des eaux résiduaires dans les STEP varient en fonction de la nature des eaux usées à traiter et de la sensibilité du milieu récepteur à la pollution.
Le type de traitement pour les eaux résiduaires de la CBGS a été choisi après la réalisation d’une étude de biodégradabilité, sur un échantillon des rejets de l’usine, à l’aide du test de respirométrie.
Avantages et inconvénient d’un traitement par boues activées :
Le procédé de traitement présente les avantages suivants:
o Bonnes performances épuratoires par rapport aux traitements physico-chimiques ;
o Bon rendement d’épuration (surtout en ce qui concerne la DBO5 et la DCO) ;
o Superficie réduite, ce qui favorise l’intégration dans le site de la société ;
o Procédé adapté aux charges organiques importantes.
Par ailleurs le procédé a aussi ses inconvénients :
o Investissements souvent importants dans la mesure où la station devra être dimensionnée pour recevoir la pollution maximale qui n’est atteinte que quelques fois par année ;
o Coût énergétique élevé ;
o Nécessité d’une exploitation attentive (extraction régulière des boues, adaptation de l’aération aux besoins, etc.) réalisée par un personnel ayant suivi une formation adéquate ;
o Inadaptation aux variations brutales et importantes des flux de pollution.
Les éléments de l’ouvrage
La STEP est constituée
d’une chaîne de traitement composée d’un dégrilleur grossier, d’un tamis fin, d’un bassin d’homogénéisation, d’un bassin de répartition, de deux bioréacteurs, d’un bassin de floculation, d’un flottateur (clarificateur), d’un bassin de désinfection, d’un bassin des boues, d’une boucle de recyclage des boues, d’une centrifugeuse et d’un compresseur.
d’un local technique contenant une armoire électrique permettant d’automatiser, de commander et de contrôler les actionnements électriques de l’installation,
D’un laboratoire d’analyse.
Le suivi de la station s’effectue à quatre niveaux différents :
les mesures en ligne (débits, concentration en oxygène dissous) et les mesures hors ligne réalisées quotidiennement au laboratoire (pH, température, DCO, MES, V30) ou de manière hebdomadaire (DBO5) sur des échantillons prit des réacteurs biologiques, de l’entrée et de la sortie de station;
le contrôle du système d’aération, des pompes chargées du recyclage, de déshydratation,…
l’outil de supervision apportant affichage des mesures en lignes, alarmes concernant certains dysfonctionnements des matériels, historique des données, …
la gestion globale de l’installation par l’opérateur, informé par l’outil de supervision.
L’opérateur doit donc faire appel à sa propre expérience : observer visuellement les différents bassins, interpréter les mesures pour évaluer l’état du procédé, conduire la station (cycle d’extraction, de recyclage et de déshydratation des boues, ajout de nutriment, ajustement des boucles de contrôle du raclage et de purge du flottateur), détecter et localiser l’ensemble des défauts et enfin prendre les actions correctives nécessaires.
Le dégrillage
L’étape de prétraitement est une étape cruciale pour un bon fonctionnement du procédé car elle consiste à séparer les éléments solides ou particulaires les plus faciles à retirer des eaux usées et susceptibles de gêner les traitements ultérieurs ou d’endommager les équipements. Il s’agit des déchets volumineux.
Au cours du prétraitement, les eaux industrielles de la CBGS passent par deux étapes :
dégrillage et tamisage. Le prétraitement ne comporte ni opération de dessablage (car l’activité de la société ne génère pas des sables et le chemin parcouru par l’eau, de la société à la station de traitement, est court) ni opération de déshuilage (car l’utilisation des graisses est négligeable).
Figure 3 : L’entrée du dégrilleur
– Le dégrillage (figure 3) consiste à faire passer les eaux usées au travers d’une grille dont les barreaux, plus ou moins espacés, retiennent les éléments les plus grossiers. Le but de l’opération de dégrillage est d’éviter :
Le colmatage des pompes de relevage.
L’accumulation de déchets non biodégradables (plastiques…) sur les ouvrages.
Le colmatage des canalisations de transfert.
– Le tamisage (figure 4) fin consiste à retenir mécaniquement tous les petits corps étrangers (plastique…) de dimension > 1 mm, pouvant perturber le fonctionnement des installations.
Après avoir traversé le tamis fin, l’eau ainsi finement tamisée est dirigée vers le bassin d’homogénéisation pour subir un traitement primaire. Alors, que les déchets récupérés (Refus du tamis fin) sont stockés dans une benne jusqu’à remplissage pour être destinés à la décharge contrôlée.Le tamis fin fonctionne en continu et il est équipé d’un système de nettoyage automatique avec l’eau de service.
Le bassin d’homogénéisation (bassin tampon)
Cette étape consiste à aérer l’effluent brut par diffusion d’air au fond du bassin à l’aide d’un suppresseur. Le but de cette étape de traitement primaire est d’homogénéiser l’ensemble des eaux. L’eau tamisée entrant au bassin d’homogénéisation (figure 5) (bassin construit en béton armé et qui a une capacité totale de 800 m3) est aérée. Cette aération est assurée par un des deux surpresseurs d’homogénéisation (un en marche et l’autre en secours).
L’air fourni par le suppresseur est injecté dans le fond du bassin d’homogénéisation où il est distribué par 157 diffuseurs d’air.
Figure 5 : Bassin d’homogénéisation
Le bassin d’homogénéisation est muni d’un capteur à ultrason qui indique le niveau ou le pourcentage du bassin rempli. La reprise des effluents du bassin d’homogénéisation est assurée par un ensemble de trois pompes immergées dans le bassin. Ces pompes assurent aussi le transfert de l’effluent à traiter vers le bassin de répartition.
Le choix des suppresseurs au lieu d’un autre moyen d’aération (exemple d’aérateurs de surface) permet :
Un meilleur rendement de dissolution de l’oxygène,
D’éviter les aérosols dus aux aérateurs de surface.
La Chambre de répartition
Cette chambre est l’ouvrage où se fait le mélange de l’eau arrivée depuis le bassin d’homogénéisation et des trois principaux additifs qui sont l’acide sulfurique, l’urée et phosphate d’ammonium. Ce même ouvrage reçoit aussi les boues recirculées toutes les 1h ou 1h30min selon le débit de la station. Le passage de ces éléments au bioréacteur (bassin d’aération) par cette chambre est primordial.
La mesure de pH dans le bassin de répartition est réalisée par une sonde de pH.
Le pH de l’effluent brut est alors ajusté automatiquement entre 7 et 8 par l’ajout d’acide sulfurique (H2SO4) assuré par une des deux pompes doseuses de débit maximal de 21 l/h.
L’apport en azote est assuré par l’ajout d’urée. Celle-ci est stockée dans un bac de préparation agité de 500 litres et l’injection se fait à l’aide d’une des deux pompes doseuses de 14.7 l/h.
L’apport en phosphore est assuré par l’ajout de phosphate d’ammonium. Celui-ci est aussi stocké dans un bac de préparation agité de 500 litres et l’injection se fait à l’aide d’une des deux pompes doseuses de débit maximal de 14.7 l/h.
Le bassin de répartition est muni d’un agitateur qui a le rôle d’homogénéiser le mélange : eau homogénéisée-acide sulfurique-urée-phosphate d’ammonium.
Afin de maintenir une biomasse suffisante dans les réacteurs biologiques, le fonctionnement du procédé repose sur le recyclage par pompage, dans le bassin de répartition, d’une partie des boues stockées dans le bassin des boues.
Le bassin d’aération
L’aération des eaux résiduaires a lieu dans deux bassins d’une capacité de 400 m3 chacun contenant les boues activées, qui ont une forme appropriée en fonction du système d’aération, du mode d’introduction des eaux et de la boue activée. On appelle ces bassins : bassins d’aération (figure 6), bassins à boues activées ou encore bassins d’oxydation. L’aération peut être assurée en surface par des turbines, ou dans notre cas par le fond par des procédés de rampe de distribution de bulles d’air alimentées par un surpresseur ou par un compresseur d’air. Les rampes de distribution sont complétées par des diffuseurs d’air dites grosses bulles ou fines bulles, suivant l’efficacité recherchée. Le rendement de transfert d’air dans l’eau peut être amélioré par l’augmentation de la hauteur d’eau (uniquement pour les rampes de distribution). Chaque réacteur biologique comporte un oxymètre qui affiche le taux d’oxygène.
Les besoins journaliers en oxygène sont en rapport avec la charge organique journalière et son mode de dégradation, ainsi que la quantité d’azote à nitrifier. Bien que la dégradation de la pollution carbonée s’arrête lors du cycle de Krebs, il faut réoxyder les molécules transporteuses d’hydrogènes de ce cycle via la respiration (cette voie capte son électron en réoxydant ces molécules). Or la respiration nécessite un accepteur d’électrons, soit un substrat respirable oxydé tel que l’oxygène. Finalement, l’oxygène apporté est utilisé dans la voie de la respiration pour produire de l’énergie, voie qui va réalimenter le cycle de Krebs, permettant ainsi une dégradation continue de la MO. Lors de la dénitrification, c’est l’oxygène des nitrates qui est utilisé. Ainsi, les besoins en oxygène sont calculés à partir des besoins des chaînes respiratoires bactériennes et des besoins pour la nitrification. La quantité à apporter en oxygène correspond alors à ces besoins moins l’économie faite lors de la respiration des nitrates. Les besoins en oxygène différent donc de la quantité à apporter.
Figure 6 : Bioréacteur
En simplifiant, on peut décrire ce processus par l’équation :
Eau résiduaire + biomasse épuratrice + O2 eau purifiée + accroissement de biomasse + gaz résiduaires (CO2…).
Les micro-organismes présentes dans les réacteurs biologiques se nourrissent de matières polluantes et ont besoin de l’oxygène. Mais cet équilibre biologique est fragile :
par manque d’aération ou en présence de produits toxiques, ils meurent ;
par variations brutales des quantités de matières à traiter (excès de pollution ou d’eau) ils assument mal leur rôle. Dans ce cas, l’installation fonctionne mal et les risques de pollution du milieu récepteur apparaissent.
Floculation
Le principe de floculation utilisé repose sur l’utilisation du polyélectrolyte qui a pour effet une floculation extrêmement marquée par formation de ponts entre particules grâce aux longues chaînes ramifiées ainsi qu’une très forte diminution de la résistance de la boue permettant un drainage plus rapide de l’eau. Ces floculant sont des macromolécules à longue chaîne.Les boues en excès récupérées des bioréacteurs sont dirigées vers un traitement par flottation.Au préalable, ces boues sont floculées dans un bac agité, avant envoi en flottation.La floculation des boues activées est un processus dynamique dépendant de facteurs physiques, chimiques et biologiques. Les flocs de boue résultent d’interactions complexes entre les diverses entités les constituant.L’effluent sortant des réacteurs biologiques est envoyé, à l’aide d’une conduite inoxydable, vers un bassin de floculation muni d’un agitateur. Ce dernier assure le mélange de l’effluant avec le floculant injecté par une pompe doseuse de débit maximal de 65.6 l/h. Les boues sont alors agglomérées dans un floc.Le polymère utilisé pour la floculation des boues activées est le DKFLOC K-436 qui fait partie d’une série de DKFLOK conçu tout spécialement pour répondre aux plus grandes exigences dans le domaine de traitement des eaux résiduaires industrielles.
La préparation du polyélectrolyte est confiée à une unité de préparation automatique diluant un polymère en poudre à l’aide de polymères POLYPACK APS-MAX-400.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1. La pollution des eaux usées
1.1. Introduction
1.2. Les principaux polluants des eaux
1.3. Normes marocaines pour les rejets indirects
2. Les principaux types de traitement des eaux usées
2.1. Épuration par cultures libre
2.2. Épuration par filtres à sable
2.3. Épuration par lagunages
3. Biodégradabilité des rejets
CHAPITRE 2 : PARTIE EXPÉRIMENTALE
1. Présentation de l’installation de traitement
1.1. Les éléments de l’ouvrage
1.2. Origines des l’effluents à traiter au sein de la CBGS
2. Échantillonnage
3. Analyse des échantillons
3.1. Les mesures des paramètres physico-chimiques de la STEP
3.2. Le polyélectrolyte
4. Méthodologie des plans d’expérience
4.1. Stratégie dans le choix des méthodes d’expérimentation
4.2. Méthode de surface de réponse
4.3. Les types de matrices de surface de réponses
4.4. Plans composites centrés
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSION
1. Diagnostique de la STEP
2. Suivi des paramètres et calcul du rendement
3. Optimisation de la dose du polyélectrolyte et du pH
3.1. Analyse des résultats et les effets des facteurs sur l’abattement de la DCO
3.2. Analyse des résultats et les effets des facteurs sur l’abattement de la MES
3.3. Conclusion :
4. Ajustement du ratio C/N/P
5. Augmentation du taux de recirculation
6. Ajustement : ratio C/N/P et taux de recirculation
7. Taux d’abattement des différents paramètres
CONCLUSION GENERALE
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