Résumé

Avec le resserrement des exigences réglementaires relatives à l'azote ammoniacal, plusieurs stations d'épuration doivent réduire leur charge azotée rejetée. Dans l’objectif de favoriser la nitrification d’un filtre biologique Biocarbone®, des essais d'aération, de modifications des paramètres de lavage et de réduction du débit ont été réalisés. Le suivi a été réalisé à différentes profondeurs dans le média filtrant. Les résultats montrent que l’oxygène dissous doit être d'au moins 6 mg-O2/L pour favoriser la nitrification dans la partie profonde du filtre.

Des enlèvements en DCO, CDBO5 et N-NH4+ de 89 et 95 et 38 % ont été respectivement

obtenus, tandis que la consommation supplémentaire d'énergie a été évaluée entre 69 et 407 kWh/d par kg de CDBO5 et N-NH4+ enlevés. Les résultats suggèrent que l'aération

constitue un paramètre-clé pouvant être partiellement contrôlé par le temps de rétention hydraulique, combiné à des lavages plus courts et fréquents stimulant davantage les bactéries nitrifiantes.

Mots clés : filtre biologique, biofiltration, cultures fixées, biofilm, nitrification, aération,

5.2 Introduction

L'azote ammoniacal en milieu aqueux, et en particulier sous sa forme N-NH3, peut contribuer

à une toxicité chronique et aigüe pour l'environnement, ce qui explique qu’il est sujet à un contrôle au niveau des rejets des eaux usées (Driscoll et al., 2003; Satin, 2006; Camargo & Alonso, 2006). Au Canada, le rejet d'azote ammoniacal sous la forme non ionisée N-NH3 est

règlementé à raison d'une concentration ne devant pas dépasser 1,25 mg N-NH3/L à

l'effluent (Environnement Canada, 2012). L'enlèvement de l'azote ammoniacal des eaux usées municipales se fait généralement par le processus biologique de nitrification. Ce processus a été largement étudié et est employé dans plusieurs systèmes de traitement biologique (Environnement Canada, 2003; Daims & Wagner, 2010), particulièrement ceux de types biomasse en suspension. Cependant, des lacunes subsistent quant aux performances de nitrification (et aux processus impliqués) à pleine échelle sur des systèmes de type biomasse fixée. Les croissances de type « biomasse fixée » sont ceux les plus couramment rencontrés dans les milieux naturels, car c’est la façon privilégiée qu'on les bactéries de croître (Jefferson, 2004). L'intérêt pour les systèmes de traitement à biomasse fixée connait un récent essor étant donné le fait que ces procédés sont plus résistants et résilients face aux stress environnementaux tels que les chocs toxiques ou les variations dans la disponibilité des nutriments (Chen et al., 2006; L. Metcalf et al., 2004). De plus, ces systèmes peuvent générer d'excellent taux de nitrification (Chen et al., 2006).

Les systèmes de filtration biologique à culture fixée sont reconnus pour leur efficacité quant au traitement de la charge azoté dans les eaux usées (Cohen, 2001). Ces procédés, lorsqu’employés pour le traitement de l'azote, s'intègrent généralement en traitement secondaire ou tertiaire de la filière d'assainissement (Barjenbruch, 2007; Paffoni, Gousailles, Rogalla & Gilles, 1990; Payraudeau, Paffoni & Gousailles, 2000; Pujol, Lemmel & Gousailles, 1998; Rocher et al., 2007; Tallec, Garnier & Gousailles, 2006). Ils sont préalablement conçus pour répondre à ce besoin. Or, au Canada, la majorité des stations d'épurations en place utilisant les premières générations de BAF n'ont pas été conçues pour le traitement de l'azote ou n'ont pas atteint les performances anticipées en raison de divers

89

problèmes opérationnels. Ces unités de traitement nécessitent une mise à niveau en raison des nouvelles exigences d'enlèvement de l'azote. Les présents travaux de recherche proposent ainsi une approche opérationnelle originale favorisant le traitement biologique afin d'atteindre les nouvelles exigences de traitement. Cette approche présente l'avantage d'être réalisé sur le terrain à pleine échelle et procure ainsi une réponse rapide au niveau du traitement selon les conditions réelles des eaux usées rencontrées en station.

Différents travaux, résumés par Vigne (2007), à échelle laboratoire, semi-industrielle et industrielle ont été effectués au courant des dernières années afin d'étudier les différents éléments pouvant influencer la nitrification dans divers procédés de biofiltration. Ces études ont été réalisées pour la plupart avec des billes de polystyrènes comme matériau support. Seulement deux des travaux ont été portés sur des biofiltres dont la nature du matériau support était du schiste expansé, et cela à échelle laboratoire (Ohashi et al., 1995) et échelle semi-industrielle (Fruhen et al., 1994). De ces travaux, il en ressort que de nombreux facteurs qu'ils soient physiques, environnementaux ou opératoires, affectent la performance des biofiltres nitrifiants. Tel que présenté par Boller et al. (1994), ils peuvent être divisés en deux catégories : échelle microscopique (nature du biofilm) et échelle macroscopique composée de paramètres décrivant la configuration du réacteur biologique. Parmi les paramètres caractérisant la configuration du réacteur biologique, l'on retrouve notamment l'hydraulique du réacteur (HRT), la méthode d'aération et l'érosion du biofilm résultant des cycles de lavages. Il est toutefois à noter que toutes ces études ont été faites à partir de biofiltres en traitement tertiaire, configurés pour l'enlèvement de l'azote. La question demeure entière concernant un réacteur biologique en traitement secondaire et non conçu pour la nitrification.

Dans un contexte d'étude à échelle industrielle, les stations d'épurations ont peu de marge de manœuvre pour tester différents paramètres opérationnels et en observer les effets. Toutefois, il est possible d'observer les effets de l'injection d'air de procédé (Boller et al., 1994; Zhao et al., 2006), d'une modification sur les paramètres de lavages des filtres (Boller et al., 1994; Ohashi et al., 1995) ainsi que d'une variation de la charge hydraulique sur les cellules de traitement (Canler et al., 2003; Tschui et al., 1994), sans altérer l'intégrité du réacteur

biologique. Tous ces paramètres ont une influence potentielle connue sur le rendement (Gullicks et al., 2011; Pramanik et al., 2012). Cependant, des zones d'ombres subsistent quant à savoir si l'ensemble de ces paramètres est en mesure de favoriser l'aspect biologique du traitement jusqu'à l'apparition du phénomène de nitrification dans une unité de biofiltration non conçue pour ce processus.

Ainsi, les présents travaux portent sur l’étude approfondie d'un biofiltre à flux descendant en traitement secondaire soumis à différentes conditions expérimentales visant à favoriser la nitrification. Cette approche novatrice développée sur la base d'analyse d'études antérieures n'a encore jamais été effectuée à pleine échelle et présente comme objectif de démontrer s'il est possible, par des changements opérationnels réalisés en station, de favoriser le développement de conditions propices à une nitrification biologique au sein du procédé de type biomasse fixée non prévu à cet effet. Les résultats obtenus pourront alors avoir une portée significative pour les stations d'épuration biologiques de type biofiltration dont une mise à niveau s'avère nécessaire.