II.1. Stations d’étude
II.1.2. Procédés étudiés
II.1.2.1. Fonctionnement des procédés
Deux filières de traitement ont été étudiées dans ce travail :
La filière dite classique en France, qu’on nommera ici système français classique (« classical French VFCW »),
La filière AZOE®, conçue et brevetée par la société SCIRPE (brevets : FR2900921A1 ; EP1857419A1 ; WO201215026A2).
Ces filières ont en commun une étape préliminaire de dégrillage des eaux brutes et deux étages de filtres verticaux. La filière AZOE® se distingue par l’intégration d’étapes de traitement complémentaires à celles constituant la filière classique, dans le but non seulement d’éliminer la charge carbonée, mais également d’améliorer l’abattement de l’azote et du phosphore. Elle se décline en quatre variantes qui ont en commun, outre les étapes de traitement de la filière classique, un traitement additionnel sur lit bactérien aérobie en amont des filtres et qui se différentient comme indiqué dans le Tableau II.2.
Tableau II.2 : Etapes de traitement constitutives de la filière dite classique et des 4 variantes de la filière Azoé® (adapté de Kim, 2014)
Type de procédé Traitements Dispositifs
Français classique Traitement du carbone /
Nitrification 2 étages de filtres verticaux non immergés
Azoé® Traitement du carbone /
Nitrification
Lit bactérien + 2 étages de filtres verticaux non
immergés
Azoé-N® Traitement du C /
Nitrification - Dénitrification
Lit bactérien + 2 étages de filtres verticaux partiellement immergés Azoé-P® Traitement du C / Nitrification / Déphosphatation physicochimique
Lit bactérien + 2 étages de filtres verticaux non immergés + Injection FeCl3 Traitement du C / Lit bactérien +2 étages filtres
Le fonctionnement de la filière AZOE-NP® a été largement décrit dans Kim, 2014. La [Figure II.2 en présente un schéma de principe. Les eaux brutes non décantées (1) sont dégrillées, puis collectées (2) dans le premier poste de relèvement (PR1) d’où elles sont pompées pour alimenter le lit bactérien (A) par sa surface supérieure à l’aide d’un sprinkler (2’). L’effluent du lit bactérien est redirigé dans le PR1 jusqu’à atteindre un volume de bâchée prédéterminé. Une pompe doseuse injecte alors (2’’) un volume donné de solution aqueuse de FeCl3 (B). Le volume de bâchée est ensuite mélangé par pompage en boucle fermée avant d’alimenter (3) le 1er étage de filtre par aspersion en surface. Une fois l’effluent filtré par le 1er étage, il est collecté (4) dans le regard de collecte comprenant une évacuation disposée à une hauteur contrôlable comprise entre le fond et la surface supérieure du filtre. Ce regard est connecté au 2ème poste de renouvellement (PR2) qui alimente (5) le 2ème étage de filtration. Le fonctionnement des autres procédés énoncés est similaire, mais avec l’absence totale de traitements additionnels (système classique) ou partielle (sans FeCl3 pour le procédé AZOE-N® ou immersion partielle du filtre absente pour le procédé AOZE-P®). Les caractéristiques spécifiques de la filière AZOE® (lit bactérien, ajout de chlorure ferrique, niveau d’immersion ajustable des filtres) sont détaillées dans le paragraphe suivant.
[Figure II.2] Schéma simplifié d’une filière AZOE-NP® avec le dégrilleur, les deux postes de renouvellement (PR1 et PR2) et les deux étages de filtration. En position A, B et C se trouvent les traitements additionnels. Les numéros indiquent le sens de progression de
l’effluent au sein du système (adapté de Kim, 2014)
II.1.2.2. Caractéristiques des traitements additionnels
II.1.2.2.1. Présence d’un lit bactérien (LB) aérobie
Le lit bactérien aérobie est un procédé d’épuration biologique à cultures fixées. Il permet une bonne aération des effluents, assurant une oxydation microbienne du carbone et de l’azote (nitrification) et tolère bien les variations de charges hydrauliques et/ou organiques. La contribution de ce traitement additionnel dans les performances globales de la filière a été étudiée dans des travaux précédents de l’équipe (Kim et al., 2013b; Kim
La percolation gravitaire des eaux usées dans le lit bactérien entraine le développement de microorganismes à la surface du matériau support garnissant l’intérieur du bioréacteur. Le matériau support est un garnissage plastique de type ordonné (plaques ondulées), sur lequel de développe un biofilm d’une épaisseur de 0,2 à 0,3 mm ([Figure II.3). Au-delà de cette limite, les forces de cisaillement créées par l’écoulement des eaux arrachent des fragments de biofilm, qui sont alors entrainés dans le poste de relèvement et contribuent à la formation du dépôt organique à la surface du 1er étage de filtre.
[Figure II.3] Lit bactérien de la station Vercia et zoom sur le garnissage du lit bactérien
II.1.2.2.2. Injection de chlorure ferrique
Le chlorure ferrique est apporté en général sous forme d’une solution aqueuse à 40% par une pompe doseuse ([Figure II.4) dont la quantité injectée est maitrisée en amont pour atteindre les limites fixées pour la quantité de phosphore à précipiter. Par exemple, pour la station de Vercia, avec des concentrations entrantes en phosphore de l’ordre de 12 mg.L-1 et un objectif de 2,5 mg.L-1 en sortie, le volume journalier injecté est de 110 m3 par jour. Pour la station de Cormatin, le volume injecté est de l’ordre de 87 m3.j -1 pour passer de l’ordre de 11 mg.L-1 en entrée à 2,0 mg.L-1 de phosphore en sortie. Le ratio molaire Fe/PTot utilisé est de 1,84 (ratio mis au point précisément pour la station de Cormatin (Ranou, 2015). Le chlorure ferrique permet ainsi la précipitation du phosphore en amont des filtres et contribue, par ses propriétés coagulantes, à former des flocs organiques et minéraux stables qui seront ensuite retenus à la surface du 1er étage de filtre.
[Figure II.4] Exemple de cuve à chlorure ferrique sur une station de FPR
II.1.2.2.3. Niveau d’immersion ajustable des filtres verticaux
Un système de syphon à l’exutoire de chaque étage de filtre planté permet d’ajuster le niveau d’eau dans chacun d’eux et ainsi de créer une zone inférieure immergée anoxique et une zone supérieure non immergée oxique. Ce dispositif a pour but de favoriser la succession des processus de nitrification/dénitrification dans la section du filtre. L’oxydation bactérienne de l’azote ammoniacal en nitrites puis en nitrates (nitrification) est en effet favorisée dans la partie supérieure non immergée grâce à son niveau d’oxygénation suffisant. La zone inférieure immergée favorise en revanche par son caractère anoxique la réduction des nitrates précédemment formés qui sont utilisés comme accepteurs d’électrons par les bactéries dénitrifiantes qui les réduisent en azote gazeux N2 (dénitrification), sous réserve que le milieu leur apporte des substrats organiques disponibles en concentration suffisante. L’influence du niveau d’immersion sur les performances de nitrification/dénitrification a été étudiée dans des travaux précédents de l’équipe (Kim et al., 2015a; Kim et al., 2014).