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Performances, avantages et limites des flottateurs
installés en sortie de réacteur biologique de type MBBR
(Moving Bed Biofilm Reactor)
M. Meudre
To cite this version:
M. Meudre. Performances, avantages et limites des flottateurs installés en sortie de réacteur biologique de type MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor). Sciences de l’environnement. 2011. �hal-02595840�
Manon MEUDRE
Mémoire de stage de fin d’études
Eaux résiduaires urbaines
File eau
Performances, avantages et limites des
flottateurs installés en sortie de réacteur
biologique de type MBBR
(Moving Bed Biofilm Reactor)
Composition du jury :
Directeur du master : Pierre-Marie BADOT
Directeur de stage pour l’option PTD : Myriam EUVRARD Directeur de stage pour l’option SABV : François DEGIORGI
Maître de stage : Jean-Pierre CANLER Tuteur universitaire : Myriam EUVRARD
Université de Franche-Comté Université de Sciences et Techniques
Master Qualité des Eaux, des Sols et Traitements (QUEST) Option Procédés, Traitements et Dépollution (PTD)
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Remerciements
Je tiens à remercier mon maître de stage, Jean-Pierre Canler, pour son encadrement et son professionnalisme. Merci également d’avoir suivi les différentes étapes de mon stage et d’en avoir permis le bon déroulement.
Merci beaucoup à Jean-Marc Perret, de m’avoir accompagnée sur les différents sites et d’avoir suivi de près mes travaux. Merci également pour sa disponibilité, son écoute et la transmission de son savoir.
Merci à toute l’équipe « Epuration des eaux usées » pour leur accueil, leur sympathie et les réponses apportées à mes questions.
Merci à ma tutrice universitaire, Myriam Euvrard, et à François Degiorgi pour l’organisation de la formation et le suivi de nos travaux.
Merci enfin à tous ceux qui m’ont soutenue et qui ont participé de quelques façons que ce soit à la réalisation de ce mémoire.
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Résumé
Les stations d’épuration françaises sont majoritairement équipées d’un traitement biologique par boues activées. Cependant, le développement du procédé MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) prend de l’ampleur ces dernières années pour sa compacité, son potentiel épuratoire intéressant par le développement de cultures fixées sur des biomédias fluidisés et l’absence de recirculation des boues.
La dénitrification pas toujours demandée dans un tel système, la recherche de compacité et les faibles concentrations en MES obtenues en sortie ont conduit à la mise en place de la flottation comme technique de clarification de ces effluents.
Peu développée dans le traitement des eaux résiduaires urbaines et déjà associée à des résultats peu satisfaisants sur quelques installations, la flottation fait l’objet d’une étude réalisée par le Cemagref de Lyon avec la participation financière de l’agence de l’eau Rhône-Méditerranée & Corse.
Les objectifs principaux de cette étude sont de mettre en place un protocole de suivi afin d’évaluer les performances des flottateurs en testant l’impact de variations hydrauliques, de redémarrages après un arrêt complet ou encore de variations de concentration en réactifs. Un bilan énergétique est également approché.
Le suivi réalisé sur la station d’épuration de Villard de Lans a permis d’observer une bonne réponse du flottateur face à des variations hydrauliques et un retour à la stabilité inférieur à 1h après son redémarrage. Cependant, le taux de charge hydraulique du système ne dépassait pas 50%.
Cette expérimentation a également mis en évidence la nécessité des micro-bulles d’air dans le flottateur et l’importance d’apporter une concentration en polymère supérieure à 2 g/m3 d’eau à traiter pour une flottation optimale.
Mots clés : eaux résiduaires urbaines, MBBR, flottation à air dissous, clarification
Abstract
French wastewater treatment plants mainly employed the activated sludge technology. However, the number of MBBR treatment plants is growing because of its compactness, its interesting purification potential thanks to fixed cultures on fluidized biomedia in basins and the absence of the sludge recirculation.
The denitrification is not always required for this system. The search for compactness and low concentrations of suspended solids at the output (100-200 mg/L) has led to the establishment of dissolved air flotation as a technique for clarification of the effluent.
So far, flotation has been rarely used in conventional urban wastewater treatment. Some unsatisfactory results has already been documented on such installations. Therefore, flotation is subject to a study carried out by the Cemagref in Lyon with financial support from the RM & C Water Agency.
The main objectives of this study are to evaluate the performances of flotation by testing the impact of (i) hydraulic load variations, (ii) restarts after a complete shutdown and (iii) reagent concentration changes. The energy balance is also evaluated.
The monitoring carried out on the wastewater treatment plant of Villard de Lans led to the following observations: a good response of the flotation versus hydraulic load variations and a return to a study-state less than 1 hour after a reboot. However, hydraulic loads did not exceed 50% of the nominal one.
This experiment also highlighted the need of micro-bubbles and the importance of providing a polymer concentration greater than 2 g/m3 for an optimum flotation.
Keywords : urban wastewater, MBBR, dissolved air flotation, particle separation
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Glossaire
ADT : Tube de Dissolution d’Air
CC3F : Communauté de Communes des Trois Frontières
DBO5 : Demande Biologique en Oxygène en 5 jours : Quantité d'oxygène nécessaire
aux bactéries pour oxyder les matières organiques biodégradables (mgO2 / L).
DCO : Demande Chimique en Oxygène : Quantité d'oxygène nécessaire aux
matières oxydables pour oxyder les substances minérales et organiques présentes dans les eaux à traiter. Cette oxydation prend en compte les matières biodégradables ou non (mgO2 / L).
EH : Equivalent-Habitants : Charge polluante émise par un habitant par jour soit 60 g
de DBO5, 120 g de DCO, 90 g de MES, 15 g de NTK et 2,5 g de PT (selon la
directive sur les eaux résiduaires urbaines de 1991).
FAD : Flottation à Air Dissous FeCl3 : Chlorure Ferrique
MBBR : Moving Bed Biofilm Reactor
MES : Matières En Suspension : Ensemble des matières fines minérales et
organiques insolubles et responsables de la turbidité.
MS : Matières Sèches : Matières minérales et organiques dépourvues d’eau. NH4 : Azote ammoniacal
NO2 : Nitrite NO3 : Nitrate
NTK : Azote Kjeldahl : Quantité d'azote présente sous formes organique et
ammoniacal.
OVH : Oxydation par Voie Humide : L’OVH consiste à chauffer à haute température
(250 à 300°C) un effluent, en phase liquide pressur isée (70 à 150 bars) en présence d’un gaz oxydant, dans le but de transformer par oxydation les composés organiques en un rejet gazeux propre, un liquide organique biodégradable et un solide essentiellement minéral.
PT : Phosphore Total
R3F : Réacteur à Flore Fixée et Fluidisée STEP : Station d’Epuration
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Sommaire
Liste des figures... 6
Liste des tableaux ... 7
I. Introduction ... 8
II. La structure d’accueil ... 10
III. Matériels et Méthodes ... 11
1. Recherches bibliographiques et discussions avec les constructeurs de flottateurs.. 11
2. Visites techniques de stations d’épuration ... 11
3. Collecte des données ... 11
a. Les données d’auto-surveillance... 11
b. Le suivi de stations sur plusieurs jours... 12
IV. Synthèse bibliographique... 13
1. Le procédé MBBR ... 13
2. La flottation : état de l’art ... 17
a. Principe de la flottation... 17
b. Applications de la flottation ... 18
c. Application aux eaux usées urbaines : la flottation à air dissous (FAD)... 19
d. Fonctionnement du système ... 20
3. Sites référencés en France... 21
a. Cas de la flottation utilisée après un réacteur biologique MBBR ... 21
b. Cas de la flottation utilisée en traitement tertiaire... 22
V. Résultats et discussions ... 22
1. Principales caractéristiques des technologies développées... 22
a. Flottateur PURAC ... 23
b. Flottateurs KWI ... 23
c. Flottateur IDRACOS ... 27
d. Bilan des principales différences entre les flottateurs... 28
2. Etude poussée sur sites ... 29
a. Présentation des sites d’étude ... 30
b. Bilan des visites techniques ... 32
3. Performances des flottateurs... 34
a. Les données d’auto-surveillance... 34
b. Les données de fonctionnement issues des exploitants... 36
c. Bilan des performances des différents flottateurs... 39
4. Suivi sur sites ... 40
a. Suivi de la STEP de Villard de Lans (38) ... 40
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b. Bilan du suivi de la STEP de Villard de Lans ... 50
5. Comparaison des procédés de traitement et impacts environnementaux ... 51
a. Comparaison des deux systèmes biologiques : boues activées et MBBR... 51
b. Comparaison des deux systèmes de clarification : clarificateur et flottateur ... 52
c. Impacts environnementaux ... 53
VI. Avantages / Limites de l’étude ... 54
1. Avantages ... 54 2. Limites... 54 VII. Conclusion... 55 VIII. Perspectives ... 56 Références bibliographiques ... 57 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Liste des figures
Figure 1 : Principe de fonctionnement des réacteurs MBBR (RASMUSSEN 2011)...14
Figure 2 : Supports de type K1 (a), K2 (b) et Biofilm Chip M (c) développés par Kaldnes et rencontrés dans le procédé MBBR (RASMUSSEN 2011)...14
Figure 3 : Les différents dispositifs possibles du procédé MBBR (DUC 2009)...16
Figure 4 : Principe général de fonctionnement d’un flottateur à air dissous (ABABOU et al)...20
Figure 5 : Schéma du flottateur PURAC...23
Figure 6 : Schéma du flottateur KWI Megacell H...24
Figure 7 : Schéma du flottateur KWI Megacell V...25
Figure 8 : Principe de fonctionnement des flottateurs KWI...26
Figure 9 : Principe de fonctionnement du flottateur Idraflot de Idracos...28
Figure 10 : Synoptique de traitement des eaux usées de la station d’épuration de la CC3F (DUC 2009)...32
Figure 11 : Bilan 24h de la 1ère journée en fonctionnement standard...42
Figure 12 : Bilan 24h de la 2ème journée en fonctionnement modifié (à-coups hydrauliques)...43
Figure 13 : Bilan 24h de la 3ème journée en fonctionnement modifié (redémarrages)...45
Figure 14 : Bilan 24h de la 4ème journée en fonctionnement modifié (concentration en polymère réduite)...46
Figure 15 : Evolution de la concentration en MES de sortie en fonction de la concentration en polymère injectée...47
Figure 16 : Répartition de la consommation énergétique de la station avec un fonctionnement sur une file...48
Figure 17 : Répartition de la consommation énergétique de la station avec un fonctionnement sur deux files...48
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Liste des tableaux
Tableau 1 : Fréquence des analyses en fonction de la capacité de traitement...12
Tableau 2 : Stations d’épuration françaises équipées d’un système de flottation en traitement secondaire...21
Tableau 3 : Stations d’épuration françaises équipées d’un système de flottation en traitement tertiaire...22
Tableau 4 : Principales caractéristiques des flottateurs selon les constructeurs...28
Tableau 5 : Suivi d’exploitation, dysfonctionnements observés et réglages effectués sur les flottateurs...33
Tableau 6 : Données d’auto-surveillance par station...34
Tableau 7 : Caractéristiques de fonctionnement des flottateurs...36
Tableau 8 : Paramètres permettant la fabrication de l’eau pressurisée...37
Tableau 9 : Nom, concentration et point d’injection des réactifs...37
Tableau 10 : Concentration des MES d’entrée et des boues flottées...39
Tableau 11 : Paramètres de fonctionnement selon la journée...41
Tableau 12 : Paramètres hydraulique et particulaire calculés avant, pendant et après la 1ère pointe de la 1ère journée (21-22h)...42
Tableau 13 : Paramètres hydraulique et particulaire calculés avant, pendant et après les 2 pointes de la 2ème journée...44
Tableau 14 : Consommation énergétique de la flottation...49
Tableau 15 : Comparaison de la consommation énergétique des deux stations : Villard de Lans et Duppigheim...49
Tableau 16 : Comparaison de la consommation énergétique des deux procédés : flottation et décantation...50
Tableau 17 : Comparaison des deux systèmes de traitement biologique : boues activées et MBBR...51
Tableau 18 : Comparaison des deux systèmes de clarification : clarificateur et flottateur...52 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
I.
Introduction
On l'appelle la planète bleue... la Terre doit son nom à ses vastes étendues d'eau la recouvrant. Actuellement, le volume total d'eau présent sur notre planète est estimé à 1,4 milliard de km3. Cependant, l'eau douce ne représente que 2,5 % du volume total d'eau présent sur Terre et seulement 1 % de cette eau est réellement disponible pour la biosphère et la consommation humaine (DIOP et al 2003). Cette faible disponibilité fait l'objet de nombreuses discussions quant à sa protection et sa qualité.
La première loi sur l'eau établie en France date du 16 décembre 1964. Elle vise à organiser la gestion de l'eau autour de six grands bassins hydrographiques français et à attribuer la gestion de chaque bassin à une Agence de l'eau (SOeS ENVIRONNEMENT).
C'est le 3 janvier 1992 qu'une seconde loi sur l'eau, complétant la précédente, met principalement en avant le fait que l'eau représente « le patrimoine commun de la nation » et qu'il est de notre devoir à tous de la protéger afin de ne pas atteindre l'état de pénurie. Cette loi renforce également le principe de protection des écosystèmes aquatiques en rendant obligatoire la collecte et le traitement des eaux usées (domestiques, pluviales, industrielles) (SOeS ENVIRONNEMENT).
De plus, ce phénomène de protection de l'eau ne s'arrête pas aux frontières françaises. En Europe, le Conseil et le Parlement européens ont adopté en octobre 2000 la directive-cadre sur l’eau (DCE) ayant pour objectif d'atteindre un « bon état » des masses d’eau superficielles et souterraines en 2015. Celle-ci définit un cadre communautaire pour la gestion et la préservation des eaux (SOeS ENVIRONNEMENT).
Le 30 décembre 2006, une nouvelle loi sur l’eau française nommée « loi sur l’eau et les milieux aquatiques » (LEMA) et renforçant les deux précédentes est promulguée. De cette loi émanent des objectifs bien précis notamment au niveau de l’assainissement avec des contrôles plus poussés des rejets qui viseront à améliorer la qualité des milieux naturels en accord avec la directive cadre européenne (SOeS ENVIRONNEMENT).
Actuellement, la France regroupe près de 17 500 stations d'épuration dont 3083 ont une capacité de traitement de plus de 2000 Equivalent-Habitants (EH) (SOeS ENVIRONNEMENT). Les stations d'épuration permettent d'éliminer des eaux usées les pollutions carbonées, azotées et phosphorées, celles-ci étant relativement dangereuses pour les systèmes aquatiques et la faune et la flore qui y vivent. En effet, les phénomènes de pollution par les nutriments s’accentuent dans les cours d'eau de nos régions. Cette pollution entraîne un comblement progressif des eaux par un développement massif d'algues, qui, assuré par un apport excessif allochtone de nutriments (azote et phosphore) notamment par les activités anthropiques, prive les êtres vivants d'oxygène et les entraîne dans des conditions d'hypoxie voire d'anoxie (WANG et al 2005).
Les stations d’épuration françaises sont majoritairement équipées d’un traitement biologique par boues activées. Cependant, le développement du procédé MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) en traitement des eaux prend de l’ampleur ces dernières années pour les avantages qu’il peut présenter. En effet, la compacité de ce procédé s’avère intéressante notamment dans le cas de stations d’épuration
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restreintes foncièrement (stations de montagne par exemple). Celle-ci permet également de couvrir les équipements et d’installer ainsi un système de désodorisation limitant toutes nuisances olfactives (ODEGAARD 2000).
De plus, le traitement par cultures fixées possède un potentiel épuratoire intéressant en maintenant la biomasse épuratrice dans les bassins sans nécessiter une recirculation des boues (FERRAI et al 2009).
La dénitrification pas toujours assurée pour un tel système et les faibles concentrations en matières en suspension (MES) obtenues en sortie ont conduit à l’utilisation de la flottation à air dissous comme technique de clarification de ces effluents avant le rejet au milieu naturel en remplacement des clarificateurs classiques (ODEGAARD 2001).
Le premier brevet déposé pour une utilisation industrielle d’un dispositif de flottation date de 1860. Il s’agit alors d’un procédé de séparation de minerai avec
utilisation d’huile. Il faut attendre le début du XXème siècle pour voir apparaître les
premiers flottateurs à air. Ceux-ci ont subi, par la suite, plusieurs améliorations avec notamment, la mise en place d’un système poreux pour l’insufflation d’air (DUC 2009).
Le développement et l’utilisation d’agents chimiques et de moyens de production de bulles ont fait que les domaines d’application se sont diversifiés, tout d’abord pour le traitement des eaux résiduaires industrielles (industries minières, traitement de surface…), puis dans les années soixante pour la potabilisation de l’eau (SARROT 2006). Finalement, par les progrès apportés au procédé et les avantages qu’il peut présenter, la flottation s’est étendue à l’épaississement des boues (CHO et al 2010) et aux eaux résiduaires urbaines (RUBIO et al 2002).
Toutefois, cette technologie est encore peu connue et peu développée en France pour le traitement d’eaux résiduaires urbaines. En effet, on observe de la part de la profession une certaine réticence en raison des fortes variations hydrauliques qui nécessitent un asservissement poussé du flottateur. De plus, quelques installations déjà associées à des résultats peu satisfaisants obtenus dans le cadre d’études d’un procédé MBBR poussent à en savoir plus sur cette filière (CANLER).
C’est donc avec le financement partiel de l’agence de l’eau Rhône-Méditerrannée et Corse (RM & C) que le Cemagref réalise une étude sur le procédé de flottation afin de comprendre au mieux ce système, ses créneaux d’application ainsi que ses performances.
Pour cette étude, nous nous intéresserons donc plus particulièrement à la file eau pour le traitement d’eaux résiduaires urbaines et notamment au procédé de flottation installé en sortie directe d’un bassin biologique produisant des effluents peu concentrés en MES tel que le réacteur MBBR. Nous chercherons à mettre en évidence les performances d’un tel procédé mais également les avantages et les inconvénients qu’il peut présenter. Enfin, les relations entre les paramètres clés de dimensionnement des différents flottateurs et leurs performances pour obtenir des rejets de qualité seront établies.
En traitement des eaux résiduaires urbaines, une seconde application du procédé de flottation est envisagée en traitement tertiaire (en remplacement d’un clari-floculateur) dans le cas d’une déphosphatation poussée. Ce procédé serait en mesure de réduire la teneur en phosphore à 0,3 mg/L (DEGREMONT). Ce système
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ne sera en fonctionnement sur site qu’à partir de septembre 2011. Il ne rentrera donc pas dans le cadre de cette étude.
Après une brève description de la structure d’accueil, la méthodologie appliquée pour répondre à la problématique sera présentée, puis les résultats expérimentaux obtenus seront analysés et discutés afin d’en ressortir des conclusions pertinentes.
II.
La structure d’accueil
Acteur majeur de la recherche en sciences et technologies de l'environnement, le Cemagref est un Etablissement Public à caractère Scientifique et Technologique (EPST), placé sous la double tutelle des ministères en charge de la recherche et de l'agriculture.
En réponse à la nouvelle donne qui, depuis le protocole de Kyoto, met l'environnement et le changement global au centre des préoccupations mondiales, les sciences et technologies de l'environnement ont vocation à se développer largement.
Les équipes pluridisciplinaires de chercheurs et d'ingénieurs du Cemagref travaillent sur cette adaptation au changement global en associant les sciences expérimentales, les sciences humaines, les sciences économiques et sociales et la science informatique (modélisation, intégration de données).
Au Cemagref, les approches scientifiques permettent d'étudier les écosystèmes complexes, l'eau, les territoires, la biodiversité et leurs inter-relations avec les activités humaines. Elles visent à offrir des solutions concrètes aux questions environnementales et sont fondées sur un partenariat fort avec les industriels et les collectivités territoriales.
A Lyon, c'est dans le domaine de l'eau en tant que ressource naturelle et milieu vivant que le groupement oriente ses activités de recherche. Il s'intéresse aussi à la gestion des équipements pour l'eau, l'assainissement et les ordures ménagères.
Le Cemagref de Lyon présente deux unités de recherche, l’unité de recherche « Milieux aquatiques, Ecologie et Pollutions » (MAEP) et l’unité de recherche Hydrologie-Hydraulique (HH). Une unité de recherche mixte, « Gestion Territoriale de l’Eau et de l’Environnement » (GESTE), intégrant la collaboration entre le Cemagref et l’ENGEES (Ecole Nationale du Génie de l’Eau et de l’Environnement de Strasbourg) est également rattachée. Chaque unité comporte plusieurs équipes travaillant sur des thématiques différentes. Pour ma part, je me suis intégrée à l’équipe « Epuration des eaux usées » de l’unité de recherche MAEP pour réaliser mon stage. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
III.
Matériels et Méthodes
1. Recherches bibliographiques et discussions avec les constructeurs de flottateurs
La phase de recherches bibliographiques est indispensable pour le commencement d’une étude. Dans notre cas, ces recherches ont été orientées vers la connaissance du procédé de traitement biologique MBBR et vers la compréhension de l’installation de la flottation après ce type de traitement.
Puis le principe de la flottation et les paramètres essentiels au bon fonctionnement du système ont été mis en avant afin de pouvoir comprendre précisément le procédé.
Cette analyse bibliographique a permis également de recenser les différents constructeurs de flottateurs, les différentes applications de la flottation mais aussi les installations équipées du procédé en France.
Par la suite, il nous paraissait intéressant d’établir une prise de contact avec les constructeurs de flottateurs recensés en France pour comprendre au mieux la conception, le fonctionnement mais également les conditions d’exploitation de ces différents types de flottateurs. Pour cela, nous avons rencontré les constructeurs (pouvant nous recevoir) afin d’échanger alors questions et réponses de façon détaillée sur le principe de leur produit.
2. Visites techniques de stations d’épuration
La visite technique de stations d’épuration équipées du procédé de flottation est une façon pertinente de comprendre le fonctionnement du flottateur. Après avoir sélectionné les sites les plus intéressants pour notre étude, nous sommes entrés en contact avec les exploitants de stations d’épuration afin d’organiser une visite sur une journée. Ces rencontres ont permis également de récupérer des données de base sur le flottateur telles que les caractéristiques de dimensionnement, de fonctionnement, les plans… Les contraintes d’exploitation, les dysfonctionnements observés ou encore les modifications de réglage effectuées depuis la mise en route nous ont été également communiqués.
3. Collecte des données
a. Les données d’auto-surveillance
Dans le but d’établir des relations entre les performances et les caractéristiques de fonctionnement des différents flottateurs, nous avons tout d’abord récupéré au près des agences de l’eau ou des exploitants de station d’épuration les données d’auto-surveillance des stations équipées d’un procédé de flottation.
L'auto-surveillance concerne le système d'assainissement dans son ensemble, c'est-à-dire le réseau de collecte et la station de traitement des eaux usées. Elle consiste en une série de mesures pratiquées par l'exploitant de la station d'épuration où les paramètres de la station sont relevés sur plusieurs journées par mois imposées par l’agence de l’eau et la police de l’eau. Les résultats sont ensuite
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répertoriés dans un rapport de fonctionnement puis envoyés au service chargé de la police de l'eau et à l'agence de l'eau.
Les mesures effectuées portent sur le débit de l'eau traitée, les MES, la DBO5, la
DCO, l'azote ammoniacal, les nitrites, les nitrates, le phosphore et les boues d'épuration…
L’auto-surveillance permet de mesurer l'efficacité de l'épuration, de s'assurer du respect des normes de rejets, de la bonne élimination ou évacuation des sous-produits de l'épuration (boues, graisses…) et de détecter les éventuelles anomalies de fonctionnement de l'installation. Ainsi, à partir de ces données, les agences de l’eau calculent et attribuent une prime pour épuration tenant compte de ces différents paramètres.
La fréquence des analyses est fixée par l’arrêté ministériel du 22 juin 2007 et varie en fonction de la taille de la station d'épuration. Le tableau ci-dessous indique les paramètres et fréquences minimales des mesures (nombre de jours par an) selon la capacité de traitement de la station d’épuration. Ces données sont issues d’un guide méthodologique établi par l’agence de l’eau Loire-Bretagne en 2009.
Tableau 1 : Fréquence des analyses en fonction de la capacité de traitement
Capacité de traitement (kg DBO5/jour)
Paramètres 120-600 600-1800 1800-3000 3000-6000 6000-12000 12000-18000 > 18000 Débit 365 365 365 365 365 365 365 MES 12 24 52 104 156 260 365 DBO5 12 12 24 52 104 156 365 DCO 12 24 52 104 156 260 365 NTK 4 12 12 24 52 104 208 NH4 4 12 12 24 52 104 208 NO2 4 12 12 24 52 104 208 NO3 4 12 12 24 52 104 208 PT 4 12 12 24 52 104 208 MS 4 24 52 104 208 260 365
NB : on considère qu’un EH rejète 60 g de DBO5 par jour (selon la directive sur les
eaux résiduaires urbaines de 1991).
Pour cette étude, les paramètres d’auto-surveillance retenus ont été essentiellement la concentration en MES mesurée en sortie de station et le débit journalier, et ceci au cours des années 2009, 2010 et début 2011 selon la date de mise en eau des stations concernées.
b. Le suivi de stations sur plusieurs jours
Dans le but d’établir des comparaisons du fonctionnement et des performances des différents flottateurs présents en France, un suivi sur sites de plusieurs jours a été effectué.
Sur chaque site choisi, l’objectif principal était de suivre l’impact des variations hydrauliques à l’échelle de la journée. Pour cela, lorsque c’était possible,
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l’hydraulique a été poussée sur un seul flottateur (sans pour autant dépasser le débit nominal) et des à-coups hydrauliques ponctuels ont été artificiellement créés de manière à observer le temps de réponse du flottateur.
Ce suivi a permis également de tester la capacité de démarrage d’un flottateur après une période d’arrêt et de déterminer le seuil minimum de la concentration en polymère à injecter (en g/m3 d’eau à traiter) pour une flottation efficace.
Enfin, une approche de la consommation énergétique de ce système a été réalisée afin d’évaluer la part énergétique du flottateur sur la file eau et sur la consommation globale de la station.
Pour répondre à ces objectifs, un protocole de mesures a été établi avec la mise en place d’échantillonneurs automatiques sur 24h et de MES-mètres en entrée et sortie du flottateur ainsi qu’un débit-mètre en sortie. Ces mesures ont permis d’établir des relations entre le débit entrant et les concentrations en MES d’entrée et sortie.
Des mesures complémentaires ont été également réalisées afin de comparer les différents flottateurs par le suivi des compteurs de consommation énergétique, la mesure de concentration des boues en entrée du flottateur et des boues flottées et enfin la concentration des réactifs injectés.
IV.
Synthèse bibliographique
1. Le procédé MBBRMis au point en Norvège dans les années 1990 par l’entreprise Kaldnes, le processus biologique sur lit fluidisé ou MBBR est une modification d'autres systèmes de traitement de l'eau par cultures fixées, tels que les réacteurs à lits bactériens, les biodisques ou les biofiltres. Le concept de base implique le passage des eaux usées dans un réacteur qui comporte de petits matériaux support, où se développe une biomasse épuratoire, maintenus en suspension par un apport d’air ou par un système de brassage mécanique (MASIC et al 2010). Une grille (tamis) est nécessaire à la sortie du réacteur afin de retenir le média et d’éviter son départ du réacteur.
Ce procédé permet de traiter les pollutions carbonées et azotées (le phosphore étant éliminé par voie chimique) des effluents de stations d’épuration d’une capacité de traitement de l’ordre de 6 500 à 120 000 EH.
Actuellement, le procédé MBBR est implanté dans plus de 300 usines de traitement réparties dans 22 pays différents du monde entier. En Europe, la plupart de ces usines se situe en Allemagne, dans les pays Scandinaves, au Royaume-Uni, en Italie et en Suisse. Elles concernent le traitement d’eaux résiduaires urbaines, industrielles et d’eau potable (ODEGAARD 2006).
En France, la commercialisation du MBBR a débuté par VINCI en 2006 avec le développement du produit sous le nom de « Réacteur à Flore Fixée et Fluidisée » (R3F), basé sur le dimensionnement de la société Kaldnes. Depuis, Veolia (qui a acheté la société Kaldnes) et Degrémont proposent également cette technique pour le traitement d’eaux usées domestiques.
Le schéma suivant décrit les deux types de réacteurs biologiques MBBR possibles, un réacteur aérobie, où les médias supports de biofilm sont mis en mouvement par un apport d’air, ou un réacteur anoxique avec agitation mécanique. Les réacteurs peuvent être utilisés en série de manière à assurer le traitement de la
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matière carbonée et la nitrification en réacteur aérobie et la pré ou post-dénitrification en réacteur anoxique (LIN 2007).
Figure 1 : Principe de fonctionnement des réacteurs MBBR (RASMUSSEN 2011)
La bonne fluidisation est nécessaire pour un traitement optimal. Elle est fonction de différents facteurs comme le type de support, le taux de remplissage (quantité de supports dans le réacteur), le débit d’air injecté ou encore la vitesse d’agitation mécanique.
Le média support, en polyéthylène, possède une densité proche de celle de l’eau (légèrement inférieure aux environs de 0,95 g/cm3 dans le but de les maintenir en suspension dans le réacteur) et une surface spécifique effective (en m2/m3 de matériau) propre à chaque support. Il existe différents types de biomédias pour le développement du biofilm, choisis en fonction de leur taille (diamètre, longueur) et de leur surface spécifique mais également selon le type de traitement à effectuer (traitement de la pollution carbonée, nitrification ou dénitrification) (ODEGAARD 2006). Pour exemple, le média en forme de roue de type K1 (support développé par Kaldnes), fréquemment utilisé, comporte des ailettes à l’extérieur et un diamètre de 10 mm (figure 2, a). Il est renforcé à l’intérieur par un maillage en forme de croix ou de forme hexagonale (type K2) (figure 2, b) qui fournit un abri pour les microorganismes (LEVSTEK et al 2009).
a b c
Figure 2 : Supports de type K1 (a), K2 (b) et Biofilm Chip M (c) développés par Kaldnes et rencontrés dans le procédé MBBR (RASMUSSEN 2011)
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Kaldnes a développé d’autres types de supports de forme, de taille et de surface différentes comme par exemple les médias Biofilm Chip M (figure 2, c) dont la surface spécifique peut être deux fois supérieure à celle du support K1 (1200 m2/m3) pour un diamètre de 48 mm. Cependant, ce biomédia ne peut être utilisé que dans les bassins aérobies car des problèmes de résistance mécanique peuvent survenir au contact des agitateurs immergés à grandes pales. Cette diversité permet d'utiliser le support le plus approprié selon les caractéristiques des eaux usées et les traitements recherchés.
Le volume de médias dans les réacteurs ne doit pas excéder 70%. En effet, au-delà de cette valeur, les médias ne seraient plus assez mobiles et perdraient de leur efficacité en raison de mauvais contacts entre la biomasse et l’effluent à traiter (SUN
et al 2010).
Ces supports permettent le développement d’une microflore diversifiée (BASSIN
et al 2010). Ils accueillent principalement des bactéries dont on distingue notamment
des bactéries hétérotrophes qui se développent pour le traitement du carbone et des bactéries autotrophes qui assurent le traitement de l’ammonium par nitrification (ex :
Nitrosomonas) (CHU et al 2011).
Ces microorganismes se développent lorsque les conditions sont favorables à leur croissance. Deux facteurs principaux régissent l’activité bactérienne, la quantité suffisante de substances nécessaires à leur croissance (oxygène, carbone, azote, phosphore…) et des conditions physico-chimiques favorables (pH, température…) (ABDRRAHMANE 2006).
La technologie MBBR est applicable à la fois aux eaux usées industrielles et municipales (LIN 2007). Elle tire parti des avantages d’un système à boues activées et des autres systèmes à cultures fixées sans être gênée par leurs inconvénients (ZAFARZADEH et al 2011).
Ce procédé possède également une grande adaptabilité aux variations de charges mêmes brutales (ZAFARZADEH et al 2011) et permet une réduction notable des volumes d’ouvrages nécessaires. Cette compacité est recherchée dans le but de couvrir totalement les équipements afin de les désodoriser (ODEGAARD 2006).
La souplesse d'utilisation de ce procédé en fait une solution idéale destinée aux nouvelles stations ou à la réhabilitation d'anciennes installations (ANOXKALDNES). Le système MBBR peut être utilisé indépendamment avec un ou plusieurs réacteurs mais également en pré-traitement ou post-traitement d’autres systèmes biologiques (comme les boues activées par exemple) soit pour éliminer une partie de la charge de l’étape biologique existante, soit en tant qu’étape d’affinage (ODEGAARD 2006). Dans un autre cas, la technologie MBBR peut être incorporée dans un réacteur existant (boues activées) afin d’accroître sa capacité et notamment pour permettre la nitrification, système connu sous le nom d’IFAS (MANNINA et al 2011).
Notons également que ce procédé ne nécessite pas de recirculation des boues dans son réacteur (à l’exception du système IFAS), les cultures fixées maintiennent en effet la biomasse épuratrice au sein des bassins. La concentration des boues en sortie du réacteur est donc uniquement dépendante de la DBO5 éliminée (JAHREN
et al 2001). CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Le traitement est assuré dans plusieurs bassins en série dont la disposition et le nombre dépendent du type de pollution à traiter (pollution carbonée, azotée : nitrification et dénitrification). Voici les trois dispositifs possibles du procédé (figure 3).
Figure 3 : Les différents dispositifs possibles du procédé MBBR (DUC 2009)
Dans le premier cas, l’association de trois bassins, qui assurent respectivement une pré-dénitrification, un traitement de la charge organique puis une nitrification. Une partie de l’effluent est ensuite recirculée en tête de traitement pour être dénitrifiée.
Dans le second cas, l’association de trois bassins qui assurent respectivement un traitement de la charge organique, une nitrification puis une post-dénitrification. Un apport de matière organique (méthanol ou éthanol) est alors assuré au niveau du bassin de dénitrification.
L’apport d’une source organique externe permet d’assurer une dénitrification efficace avec une réduction complète de l’azote NO3- en azote gazeux N2 et ainsi
d’éviter la présence de nitrites NO2-, relativement toxiques. En effet, la dénitrification
faisant suite au traitement de la matière organique, les bactéries se trouvent appauvries par un manque de celle-ci. Le méthanol est communément utilisé de part son bas prix mais la dénitrification peut s’avérer être longue puisque peu de bactéries utilisent cette source. Pour remédier à cela, l’utilisation d’éthanol peut être préférée pour une dénitrification efficace et plus rapide (RUSTEN et al 2005).
Dans le dernier cas, l’association de quatre bassins qui permettent respectivement une pré-dénitrification, un traitement de la charge organique, une nitrification puis une post-dénitrification. Un apport de matière organique est réalisé au niveau du bassin de post-dénitrification et une recirculation d’une partie de l’effluent se fait à partir du bassin de nitrification.
Notons également que, dans certains cas, le procédé MBBR ne possède pas de système de dénitrification. Seuls le traitement de la pollution carbonée et la nitrification sont alors réalisés.
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L’absence de dénitrification au sein du traitement biologique MBBR associée à une concentration en MES faible en sortie et la recherche de compacité poussent les constructeurs à installer un système de clarification des effluents par flottation.
En effet, l’installation d’un décanteur en sortie d’un tel système ne serait pas adapté notamment lorsque l’effluent est chargé en nitrates. Ceux-ci, seraient en effet, réduit en azote gazeux par l’activité bactérienne en absence d’oxygène au sein du clarificateur, et entraîneraient la remontée des boues qui pourraient alors être rejetées avec l’eau traitée.
De plus, les faibles concentrations en MES en sortie de MBBR sont généralement plus flottables que décantables. Enfin, les contraintes foncières imposées à certaines stations obligent parfois la mise en place d’un flottateur, beaucoup moins encombrant qu’un clarificateur.
2. La flottation : état de l’art
a. Principe de la flottation
La flottation est un procédé de séparation solide-liquide basé sur les différences d’hydrophobicité de surfaces des particules à séparer (les particules solides doivent avoir une meilleure affinité pour l’air que pour l’eau). Par opposition à la décantation, la flottation s’applique à des flocs dont la masse volumique est inférieure à celle du liquide qui les contient. Ces flocs sont recueillis ensuite sous forme de boues flottées à la surface du flottateur (JARVIS et al 2009).
La flottation est dite naturelle si la différence de masse volumique entre les flocs et l’eau est naturellement suffisante pour une séparation. Elle est couramment employée dans tous les pré-déshuilages (secteur industriel).
La flottation assistée s’utilise pour des matériaux légèrement moins denses que le milieu liquide. La flottation pourrait être naturelle mais la lenteur du processus, due à la faiblesse de la force d’Archimède, ne permet pas une séparation suffisante. La flottation assistée met donc en œuvre des moyens extérieurs (air, réactifs…) pour améliorer la séparation de particules naturellement flottables mais avec une vitesse de séparation insuffisante :
• La flottation assistée à l’air (moyennes ou fines bulles) sans réactifs : il s’agit d’une flottation naturelle favorisée par l’insufflation de bulles d’air au sein de la masse liquide. Ce procédé concerne en particulier la séparation de graisses dispersées (particules solides hydrophobes).
• La flottation assistée à l’air et par des réactifs (dite « flottation mécanique » ou « moussage ») : les réactifs sont principalement utilisés pour modifier les tensions de surface. Ce procédé est utilisé pour séparer par exemple les différents minéraux constitutifs d’une roche, pour séparer des huiles en traitement d’eaux de gisement ou encore pour la séparation d’agents tensioactifs.
Enfin, la flottation est dite provoquée lorsque la masse volumique de la particule, à l’origine supérieure à celle du liquide, est artificiellement réduite pour provoquer sa flottation.
Dans ce dernier cas, l’injection de bulles de gaz (de l’air en général) va permettre l’association des particules solides avec celles-ci pour ainsi former des
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« attelages » particules-gaz moins denses que le liquide les contenant et engendrer la flottation du fait d’une vitesse ascensionnelle satisfaisante.
Les bulles d’air injectées peuvent être de trois types différents, des moyennes bulles de 2 à 4 mm, des fines bulles de 0,2 à 2 mm et enfin des microbulles de 40 à 70 µm (DEGREMONT-SUEZ 2005).
Dans le traitement des eaux, lorsque la flottation est utilisée, il s’agit d’une flottation provoquée utilisant des microbulles (40 à 70 µm de diamètre), plus couramment appelée Flottation à Air Dissous (FAD).
Notons que la flottation est précédée d’une étape de coagulation par ajout d’un sel trivalent (non obligatoire, utilisée dans le cas d’une déphosphatation nécessaire) et de floculation par ajout d’un polymère cationique (étape indispensable) dont l’objectif est d’éliminer les matières en suspension de façon plus efficace et d’atteindre un abattement de celles-ci de près de 95% (EL-GOHARY et al 1980). En effet, les microbulles étant 10 à 100 fois plus grosses que les particules colloïdales, l’accrochage de celles-ci est négligeable et leur floculation au préalable est indispensable de manière à obtenir des matières solides de plus grande taille sur lesquelles un plus grand nombre de bulles peut se fixer (EDZWALD 2010).
De plus, la déstabilisation des charges répulsives et l’agglomération des particules en flocs volumineux permettent d’obtenir une certaine solidité des flocs pouvant alors résister plus facilement au débit d’eau entrant dans le flottateur (débit supérieur à celui d’un décanteur) (JEFFERSON et al 2004).
b. Applications de la flottation
Le procédé de flottation peut être mis en place dans différents cas : • En pré-traitements dans le cas de l’élimination des graisses. • En traitement d’eau potable :
→ Séparation de matières floculées en clarification d'eau de surface (peu concentrées en MES mais riches en matières organiques ou contenant des algues planctoniques) (CROSSLEY et al 2006).
→ Elimination de la turbidité, des algues et notamment des organismes parasitaires tels que Giardia et Cryptosporidium (EDZWALD 2010). • En traitement des boues :
→ Cas où la déphosphatation biologique est retenue sur la file eau. → Cas des eaux de lavage de biofiltres nitrifiants.
• En traitement d’eaux résiduaires industrielles :
→ Séparation et récupération des fibres des eaux de papeterie (ZARKOVIC 2010).
→ Séparation d’hydroxydes métalliques (SUDILOVSKIY et al 2007). → Séparation d'huiles floculées sur des eaux résiduaires de raffinerie,
d'aéroport ou de métallurgie (SANTANDER et al 2010).
→ Traitement de lixiviats de décharge (PALANIANDY et al 2010).
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• Et enfin, en traitement d’eaux résiduaires urbaines :
→ Traitement secondaire en sortie de réacteur biologique produisant des MES faiblement concentrées (MBBR).
→ Traitement tertiaire en remplacement d’un clari-floculateur (déphosphatation biologique).
→ Traitement secondaire en sortie de bassin biologique à boues activées pour le traitement de rejets liquides issues de l’Oxydation par Voie Humide (OVH) des boues, avec actuellement deux sites en France.
c. Application aux eaux usées urbaines : la flottation à air dissous (FAD)
La flottation à air dissous est une technique de séparation solide-liquide utilisée en traitement des eaux dans le but d’éliminer les flocs préalablement formés et d’obtenir une eau clarifiée. Le principe repose sur l’injection de micro-bulles d’air qui vont alors s’associer avec les flocs formés et par une différence de densité (association flocs-bulles d’air moins dense), ils vont être entraînés et flotter à la surface. La liaison entre les bulles d’air et les particules solides se fait par collision pendant les mouvements aléatoires. La taille des bulles d’air et des particules doit donc être contrôlée de manière à assurer qu’il y ait un rayon suffisant d’attachement pour maintenir la liaison. L’eau clarifiée est récupérée alors que les boues forment une couche en surface périodiquement enlevée par raclage. Les particules les plus lourdes décantent au fond de l’ouvrage où elles sont évacuées par un système de raclage ou de purge pour être envoyées en tête de station. Une partie des eaux clarifiées est réutilisée pour la production des micro-bulles (JARVIS et al 2009).
La flottation à air dissous est bien adaptée au traitement de flocs souvent fragiles et de densité relativement faibles. Cette technique est principalement utilisée en traitement des eaux usées pour séparer les matières floculées pour des eaux peu chargées en MES (EDZWALD 2010).
Un élément clé de tout système de FAD est la génération des micro-bulles. La production de celles-ci est réalisée par pressurisation. Une partie du débit d'eau traitée est récupérée à la sortie du flottateur (débit fixe ou variable) et pressurisée à une pression d’environ 4 à 6 bars dans une unité de pressurisation.
De l’air comprimé est également apporté dans l’unité de pressurisation à une pression supérieure à celle présente dans celle-ci de façon à ce que l’air puisse y entrer. Puis, en se détendant à la pression atmosphérique, le mélange air/eau libère l’excès d’air sous forme de micro-bulles, l’eau est dite alors « blanche ». Cette dernière va être injectée au fond du flottateur et se mélange à l’eau à traiter (AL-SHAMRANI et al 2001).
Le système de FAD maintient une taille de micro-bulles dans une gamme approximative de 10 à 100 µm, la taille moyenne la plus favorable approche les 40 µm (SIANGSANUN 2010).
Les avantages de la production de bulles de très petite taille sont les suivants (VLYSSIDES et al 2004)) :
• Une bonne répartition des bulles pour un faible débit d’air permettant ainsi de limiter les turbulences qui risqueraient de casser les flocs,
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• Une augmentation de la concentration des bulles qui favorise la probabilité de rencontre entre les particules solides et les bulles,
• Une faible vitesse ascensionnelle des bulles par rapport à la masse fluide permettant une meilleure adhésion sur les flocs.
Figure 4 : Principe général de fonctionnement d’un flottateur à air dissous (ABABOU et al)
1 : Micro-bulles d’air A : Eau brute (préalablement floculée) 2 : Particules solides B : Apport d’air comprimé
3 : Soupape (système de détente) C : Eau clarifiée 4 : Eau sous pression
5 : Unité de pressurisation 6 : Boues flottées
7 : Racleur
d. Fonctionnement du système
• Paramètres essentiels pour le bon fonctionnement du système : → Quantité d’air dissous à injecter (débit d’air)
→ Concentration en MES de l’eau à traiter (rapport air/solides) → Taux de recirculation de l’eau traitée pour la pressurisation → Temps de séjour dans le flottateur
→ Vitesse ascensionnelle (m/h)
→ Floculation (nature, quantité et point d’injection des réactifs utilisés) → Fréquence de raclage et d’évacuation des boues
• Dispositifs déterminants pour la performance d’un flottateur :
→ Dispositif de recirculation : circuit annexe alimenté à partir d’eau traitée recirculée par pompage (de l’ordre de 10 à 20% du débit entrant) asservi ou non à ce débit.
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→ Dispositif de pressurisation / détente : il permet la fabrication de micro-bulles adaptées à l’attachement bulles-particules et l’entraînement de celles-ci en surface.
→ Dispositif de mélange entre flocs et eau pressurisée : il influence l’efficacité de l’accrochage bulles-floc et par conséquent la qualité de la clarification.
→ Dispositif de raclage : il doit être optimisé de façon à concentrer suffisamment les boues sans que celles-ci atteignent une hauteur trop importante entraînant alors une perte de MES avec l’eau clarifiée.
3. Sites référencés en France
a. Cas de la flottation utilisée après un réacteur biologique MBBR
En France, dix stations d’épuration sont équipées d’un traitement biologique MBBR suivi d’un procédé de flottation à air dissous. Certaines fonctionnent depuis 2007 alors que d’autres sont encore en cours de construction. Le tableau suivant recense ces stations et présente le type d’ouvrage ainsi que le constructeur des flottateurs utilisés.
Tableau 2 : Stations d’épuration françaises équipées d’un système de flottation en traitement secondaire
Constructeur
STEP EH Mise en eau
STEP Flottateur Type de flottateur Saint Jean d’Arves (73) 17 000 Novembre 2007 VINCI KWI (International) Horizontal « Megacell H »
CC3F (68) 82 000 Octobre 2008 VINCI PURAC
(Suède) DAF Classic Molines
en Queyras
(05)
6 000 Octobre 2008 VINCI KWI
Horizontal « Megacell H » Bellentre (73) 28 000 Septembre 2010 VINCI KWI Horizontal « Megacell H » Thourotte
(60) 12 500 Août 2010 VINCI KWI
Horizontal « Megacell H » Corbeil-Essonnes (91)
75 000 Août 2010 VINCI KWI
Vertical « Megacell V » Villard de Lans (38) 44 500 Novembre 2010 VINCI KWI Vertical « Megacell V » Vallouise (05) 15 000 Novembre 2010 OTV (Veolia eau) IDRACOS (Italie) Idraflot Ajaccio
(2A) 65 000 Mars 2012 VINCI
NIJHUIS (Hollande) - CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Agnières en Dévoluy (05) 7 000 Avril 2012 MSE (Veolia eau) - -
Ce tableau met en évidence la variété en taille de stations d’épuration équipées du procédé MBBR suivi d’une clarification par flottation. En effet, la capacité de traitement est assez variable allant de 6 000 EH pour la station de Molines en Queyras à 82 000 EH pour la station de la CC3F. Ce système n’est donc pas limité dans sa capacité de traitement. Il faut savoir également que les stations peuvent être composées de plusieurs flottateurs installés en parallèle (2 voire 3 flottateurs).
De plus, on observe que la majorité des stations se situe dans les bassins Rhône-Méditerranée et Corse (6 sur 10) et notamment sur des communes touristiques de montagne. Ces stations d’épuration possèdent des variations de charge importantes selon les saisons (coefficient de variation de charge entre la haute et la basse saison de l’ordre de 10), ce qui a entraîné l’installation du procédé MBBR, associées à une contrainte foncière et l’absence de dénitrification demandée, d’où l’installation d’un flottateur.
Enfin, VINCI est actuellement le constructeur principal avec l’installation de 8 stations d’épuration sur 10. Il a fait appel à trois sous-traitant différents PURAC, KWI et NIJHUIS pour la mise en service des flottateurs. Notons que le flottateur NIJHUIS est en cours de construction (Ajaccio), le PURAC n’est présent que sur un seul site (CC3F) et les flottateurs KWI sont les plus installés.
En remarque, le constructeur Degrémont ne figure pas parmi ces différentes stations puisqu’il ne possède pas encore de procédé MBBR en France.
b. Cas de la flottation utilisée en traitement tertiaire
Au jour d’aujourd’hui, une seule station d’épuration française possède un traitement tertiaire de type affinage (en particulier pour l’abattement du phosphore) par flottation. Celle-ci sera mise en eau courant septembre 2011 par Degrémont.
Tableau 3 : Stations d’épuration françaises équipées d’un système de flottation en
traitement tertiaire
STEP EH Mise en
eau Constructeur Flottateur Type
Evreux
(27) 164 000
Septembre
2011 DEGREMONT DEGREMONT Greendaf TW
V.
Résultats et discussions
1. Principales caractéristiques des technologies développées Comme vu précédemment, certaines stations sont en cours de construction. Pour notre étude, on s’intéressera aux flottateurs actuellement en fonctionnement.
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a. Flottateur PURAC
Le siège de la société PURAC se situe en Suède et n’est pas représenté sur le territoire français. Par cette contrainte, nous n’avons pu rencontrer ce constructeur. Le schéma du principe de fonctionnement du flottateur PURAC est décrit ci-dessous.
Figure 5 : Schéma du flottateur PURAC
1 : Entrée de l’eau à traiter 5 : Couche de boues flottées 2 : Cuve de floculation 6 : Evacuation des boues
3 : Mélange eau traitée et eau pressurisée 7 : Récupération de l’eau traitée 4 : Unité de pressurisation 8 : Boues de fond
Selon le constructeur, les principaux avantages de ce flottateur sont les suivants (arguments commerciaux) :
• Elimination efficace des MES (> 95%).
• Compacité avec une charge hydraulique de 15 m/h effective dans un espace limité.
• Robustesse avec des variations de débit et de charge massique qui n’influencent pas l’efficacité du procédé.
• Les boues flottées sont composées de 3 à 6% en matière sèche (MS).
b. Flottateurs KWI
Deux rencontres ont été réalisées avec la société KWI. Celle-ci nous a communiqué les caractéristiques de fonctionnement de leurs deux flottateurs adaptés au traitement des eaux résiduaires urbaines dans le cas d’une clarification de biomasse. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
• Le Megacell H (Horizontal):
Figure 6 : Schéma du flottateur KWI Megacell H
1 : Boîte de répartition où est introduite l’eau brute mélangée à l’eau pressurisée (plus floculant dans le cas d’une injection en ligne). Cette boîte permet une répartition homogène sous la rangée d’éléments en U (deux conduites d’alimentation sur les ouvrages de 2 m de large).
2 : Racleur de surface qui pousse les boues flottées jusqu’à la roue d’extraction. 3 : Roue d’extraction des boues flottées. Elle permet une grande capacité d’extraction ainsi qu’une forte concentration des boues.
4 : Racle de fond qui permet de pousser les boues de fond vers les vannes de purge.
5 : Vanne. Les particules lourdes qui décantent au fond de la cuve sont purgées périodiquement par une ou deux vannes.
6 : Moteur permettant de faire fonctionner la racle de surface et la roue d’extraction. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
• Le Megacell V (Vertical) :
Figure 7 : Schéma du flottateur KWI Megacell V
Le Megacell V présente des corps rectangulaires (1,2 ou 4) contenant les éléments en U et une partie commune cylindrique en surface dans laquelle sont collectées les boues flottées.
Les boues montent vers la surface du côté ouvert des éléments et sont récupérées en surface par un racleur ou une écope à spirale (dans le cas de flottateurs circulaires) pour être envoyées vers une fosse à boues. Il n’y a pas de racle de fond, les particules décantées sont purgées périodiquement.
Spécificité et principe de fonctionnement de ces deux appareils :
Le cœur du Megacell est une rangée d’éléments en forme de U disposés les uns à côté des autres à une certaine distance et inclinés à un certain angle. La partie ouverte de ces éléments en U se situe en haut. La disposition de ces éléments peut être côte à côte sur l’horizontale (Megacell H) ou verticale avec superposition des éléments (Megacell V).
L’eau brute mélangée à l’eau pressurisée (plus coagulant éventuel si une déphosphatation est recherchée et floculant, obligatoire pour la flottation) est introduite de façon homogène dans une boîte de répartition sous les éléments en U et remonte vers la surface grâce à l’injection d’air de façon homogène (sur toute la surface du flottateur). L’espace sous les éléments en U autorise un certain temps de séjour pour atténuer les turbulences et pour finir la floculation. Dans cet espace, les particules lourdes décantent au fond de la cuve.
A cet endroit, une première séparation des MES est effectuée (clarification lamellaire à co-courant). Les MES séparées sont guidées par les plaques des éléments en U jusqu’à la surface de l’eau où elles forment une couche de boues flottées (90-95% des MES).
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L’eau clarifiée redescend à l’intérieur de chaque élément en U où une seconde séparation des dernières particules de MES est effectuée selon la flottation lamellaire à contre-courant (celle-ci fonctionne bien car la charge massique est très faible).
L’eau clarifiée est récupérée au fond de chaque élément en U par un collecteur incorporé, ce qui permet une répartition hydraulique homogène.
Pour les petits appareils, le niveau de l’eau dans la cuve est contrôlé par un déversoir mécanique. Pour les gros appareils, le niveau de l’eau est contrôlé par un transmetteur de pression et une vanne de régulation automatique.
Les boues flottées sont raclées par un racleur de surface qui pousse la boue jusqu’à la roue d’extraction. Celle-ci permet un égouttage avant l’évacuation de la boue.
Les particules lourdes qui décantent au fond de la cuve sont purgées périodiquement par une vanne. Dans les petits Megacells, le fond de la cuve a une forme de pyramide inversée et l’extraction des boues de fond se fait depuis le point le plus bas.
Dans les gros appareils, les boues de fond sont poussées par une racle de fond afin de rejoindre les vannes de purge.
Figure 8 : Principe de fonctionnement des flottateurs KWI
1 : Mélange eau à traiter et eau pressurisée répartit sur toute la surface de l’ouvrage 2 : Particules flottantes
3 : Eau clarifiée
4 : Eau brute avec MES 10 : Cuve de l’appareil 11 : Elément en forme de U
12 : Récupération de l’eau clarifiée au fond de chaque tube en U
Les principaux points importants retenus pour les Megacells lors de nos discussions avec KWI sont les suivants :
● L’utilisation de la flottation comme technique de clarification de biomasse ne peut se réaliser que pour des concentrations en MES en sortie de traitement biologique inférieures à 1,5 g/L. En effet, le dimensionnement d’un flottateur se fait
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selon le débit (m3/h par élément en U) pour des concentrations en MES en entrée inférieures à 1,5 g/L alors qu’il se fait selon la charge massique (kg MES/m2 de surface au miroir) pour des concentrations supérieures. Dans ce cas, la surface d’occupation au sol et les coûts en polymère et énergie de pressurisation seraient trop importants pour concurrencer les dispositifs de décantation classique (lamellaire). C’est pourquoi, les flottateurs ne sont pas installés en sortie d’un traitement biologique par boues activées.
● L’utilisation d’un polymère cationique est indispensable pour le procédé de flottation. Ce polymère doit être injecté de préférence en ligne (au même niveau que l’eau pressurisée) et de façon continue. En ce qui concerne les doses, KWI conseille une injection de polymère entre 3 et 5 g/m3 d’eau à traiter.
Par contre, l’utilisation d’un coagulant n’est nécessaire que dans le cas d’une déphosphatation.
De plus, les constructeurs ne conseillent pas de réactif. Les vendeurs de polymères viennent effectuer des essais sur site (par flotta-test) afin de trouver le polymère idéal pour la flottation. Chaque réactif est donc spécifique au site.
● La fréquence de raclage des boues flottées doit être optimisée de manière à concentrer suffisamment les boues (à environ 35 g/L) sans pour autant qu’une partie de celles-ci puisse s’échapper avec l’eau traitée. La fréquence de raclage peut être cadencée selon une certaine hauteur de boues. Les boues de fond doivent être purgées régulièrement mais peu fréquemment afin de ne pas les remettre en suspension.
● Le niveau de l'eau (et donc le niveau de la couche des boues flottées) dans l'appareil est réglé soit par un déversoir mécanique, soit par une vanne automatique contrôlée par un détecteur de pression.
● Le débit de recirculation de l’eau traitée est fixé à 20% du débit entrant maximal. Il ne peut être modulé par l’exploitant. Celui-ci doit toutefois vérifier régulièrement le P (différence de pression entre l’entrée et l’intérieur du tube de dissolution d’air (ADT)) qui doit être de 0,5.
● Le débit d’air injecté dans l’ADT est modulable. Il doit représenter environ 10% du débit de recirculation de l’eau traitée. Notons que ce débit d’air doit être injecté à une pression supérieure à la pression présente dans l’ADT de manière à ce qu’elle puisse y entrer.
c. Flottateur IDRACOS
Le siège de la société IDRACOS se situe en Italie et n’est pas représenté sur le territoire français. Par cette contrainte, nous n’avons pu rencontrer ce constructeur. Le schéma du principe de fonctionnement du flottateur est décrit ci-dessous.
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Figure 9 : Principe de fonctionnement du flottateur Idraflot de Idracos
1 : Racleur 6 : Arrivée eau blanche
2 : Récupération des boues décantées 7 : Arrivée eau brute 3 : Récupération des boues flottées 8 : Pompes eau brute
4 : Eau clarifiée 9 : Evacuation des boues
5 : Système de pressurisation (flottées et décantées)
Selon le constructeur, les principaux avantages de ce flottateur sont les suivants (arguments commerciaux) :
• Elimination efficace des MES et de la DCO.
• Compacité avec une charge hydraulique de 20 m/h.
• Présence d’un bloc lamellaire permettant de guider les flux et d’obtenir une meilleure répartition de ceux-ci.
• Les boues flottées sont composées de 8% de matière sèche.
d. Bilan des principales différences entre les flottateurs
Tableau 4 : Principales caractéristiques des flottateurs selon les constructeurs
PURAC KWI H KWI V IDRACOS
Conception Non lamellaire Profilés en U Profilés en U Lamellaire
Critère de dimensionnement Vitesse ascensionnelle m3/h par élément en U m3/h par élément en U Charge massique au miroir Vitesse ascensionnelle au miroir (m/h) 15 30 60 20 Unité de pressurisation Ballon de pressurisation Tube de dissolution d’air (ADT) Tube de dissolution d’air Ballon de pressurisation CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
