82 les boues activées jean pierre canler groupement de lyon

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Les Boues Activées

Jean Pierre CANLER

Groupement de Lyon

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Les procédés à boues activées.

1 – Introduction

2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique

3 - Système intensif : la boue activée

3.1 : le bassin d’aération* volume de l’ouvrage* capacités d’aération

3.2 : le processus de floculation

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3.3 : Le clarificateur* dimensionnement de l’ouvrage* la recirculation des boues

3.4 : la production de boue

3.5 : les autres ouvrages ou équipements : - prétraitements

- décantation primaire- zone de contact- zone d’anoxie- ouvrage de dégazage

3.6 : la filière boue

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1 - Introduction :

A partir du principe de traitement biologique, sa mise en application est ancienne :les procédés boues activées datent de 1914 en Grande Bretagne.

Schéma général du procédé de traitement des eaux usées par boues activées

bassin d’aération

clarificateur ou décanteur secondaire

eau épurée

boue en excès

Depuis de nombreuses évolutions et configuration

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2 - Rappels et application des enseignements du principe du traitement biologique

La mise en œuvre du réacteur biologique (ou bassin d’aération) :

C’est un bassin composé de bactéries et est alimenté avec des eaux résiduaires le plus souvent pré-traitées et aérée de façon artificielle. En sortie de cet ouvrage, les eaux sont composées d’une grande quantité de matière organique bactérienne.

Les principales bases de dimensionnement de cet ouvrage :

1. le temps de séjour hydraulique =

2. la concentration en bactéries ou en matières en suspension (Cm)

3. la source d’oxygène : indispensable à l’activité bactérienne (bactéries aérobies)

4. la qualité de l’eau recherchée (plus particulièrement l’eau interstitielle). Dans tous les cas, le réacteur biologique sera suivi d’un bassin de sédimentation.

heure)et(jourentrantvolume

ouvragel'devolume

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1.Temps de séjour hydraulique (équivalent à l’âge de la boue) :

A l’équilibre hydraulique (Volume entrant = Volume sortant)

Ts hydraulique = Volume du bassin / Volume entrant

L’élimination de la matière organique s’effectue en trois étapes :

- l’absorption des matières organiques en solution et facilement biodégradables (DCO sol)

- la capture et l’adsorption des matières organiques particulaires et colloïdales (70% de la DCO)

Suivi de l’hydrolyse puis l’absorption.

Le temps de séjour nécessaire à une bonne épuration est déterminé par l’étape la plus lente.

Ts[MVS]xsort.ouent.Vol.

[MVS]xréacteurVol.

sortantbiomassedeQuantité

biomassedeQuantitéboueladeAge

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Après 3 jours:

- les stocks extra-cellulaires ainsi formés sont dégradés et laissent ainsi les boues en bonne condition pour l’adsorption d’autres matières organiques.

- Comme l’Age de la boue = Ts hydraulique et qu’il doit être d’au moins 3 à 4 jours, le volume du réacteur sera égal à 3 à 4 fois le volume collecté journalièrement .

Un âge de boue de l’ordre de 1,5 jours suffit pour éliminer les matières organiques dissoutes.Un âge de boue de l’ordre de 2,5 à 3 jours suffit pour éliminer les matières organiques colloïdales et particulaires en raison de la phase d’hydrolyse préalable.

400

300

200

100

DBO5 - entrée

DBO5 (mg/l)

DBO5 dissoute

DBO5 sortie totale

DBO5 particulaire adsorbé

Âge de boues (jr)

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Exemple :

Calculez le volume d’un bassin d’aération pour une ville de 12 000 habitants.

Supposez :

- rejet par habitant : 0,060 kg DBO5/jr

0,150 m3/jr

- temps de séjour hydraulique : 4 jours

On trouve :

- flux hydraulique journalier : 12000 x 0,15 = 1800 m3/jr

- volume du bassin : 1800 x 4 = 7200 m3

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2 - La concentration en matières en suspension :

Quantité de biomasse produite journalièrement = Quantité de biomasse évacuées journalièrement

A l’équilibre hydraulique :

Qe x [DBO5] x PSB = Qs x [Mes]Biomasse formée biomasse évacuée

Qe = Qs

Donc [ DBO5 ] x PSB = [ MES ]

Pour un effluent classique : [ DBO5 ] = 300 mg/l , la concentration en MES sera de 0,256 g/l (PSB =0.9 kg de MES / kg de DBO5 éliminée – rendement 95 %)

D’où une très faible concentration de biomasse.

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3 - La quantité d’oxygène : abordée plus loin.

4 - La qualité de l’eau traitée :

En sortie du réacteur biologique, l’effluent contient encore de la matière organique dite :

- dissoute : valeur faible, résiduel < à 10 mg/l de DBO5 (soit une DCO < à 25 mg/l ),

- particulaire : composée de biomasse et de matières solides apportées par les eaux usées et non dégradées.

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Exemple :

Calculez la concentration en DBO5 totale de l’effluent de sortie du réacteur biologique et en sortie du clarificateur

Avec une concentration en DBO5 de l’effluent à traiter = 300 mg/l

Un Ts hydraulique = âge de boue = 4 jours d’où un rendement de 95 % sur la DBO5 Totale

Une PSB = 0,9 kg de MS / kg de DBO5 éliminée

On sait qu’un kg de MES (biomasse)= 1,2 kg de DCO = 0,5 kg de DBO5Résultat

DBO5 non traitée (sortie réacteur biologique et sortie clarificateur)300 mg/l x 95 % = 285 mg/l soit 15 mg/l de DBO5 non dégradée

DBO5 liée à la biomasse formée (sortie réacteur biologique)285 mg/l x 0,9 x 0,5 = 128 mg/l de DBO5 particulaire (biomasse)

Soit un effluent de sortie réacteur bio. = 143 mg/l (15 + 128 mg/l)

D’où un rendement du réacteur biologique de 52,3 % (300-143/300 )

Et un rendement de 95 % en sortie clarificateur (300-15/300)

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En conclusion,

La mise en œuvre d’un réacteur biologique est relativement simple et le procédé est très fiable. Les contraintes d’exploitation sont limitées.

Malgré les avantages,on note les inconvénients suivants :

- volume d’ouvrage important (ts de 4 jours) qui entraîne des puissances de brassage élevées.

- absence de possibilité de traiter l’azote(en dehors de l’assimilation) : âge de boue trop court.

- absence de stabilisation de boues.

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Charge volumique = Cv = Kg de DBO5/ j et par m3 de réacteur.

Notion de temps de séjour

Si un échantillon proportionnel aux débits à une DBO5 = 300 mg/l

Avec une Cv = 0,3 kg de DBO5/m3 de réacteur et par jour Ts = 1 jour

[DBO5]

mg de DBO5/l

Cv

Kg de DBO5/m3.J

Temps séjour

En jours

300

0,3

1

600 2

150 0,5

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Ces inconvénients peuvent être supprimés,

- séparer la notion de temps de séjour hydraulique et âge de boue :

Captage des particules et adsorption : 70 % de la DBO5 en 15 mn

DBO5 soluble 1 à 1,5 jours

* le temps de séjour diminué (d’où une réduction du volume des ouvrages)

•l’augmentation de l’âge de la boue par l’augmentation de la quantité de biomasse donc de sa concentration. Cette concentration pourra être accrue par la recirculation des boues issues de l’ouvrage de sédimentation (= clarificateur).

Un tel procédé avec un âge de boue de 20 jours, un temps de séjour hydraulique de 1 jour, une concentration en MES dans le réacteur de 4 g/l est appelé l’aération prolongée.

Cm = 0,1 Cv = 0,3 ([DBO5] = 300 mg/l)

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Autres relations

Cv notion de temps de séjour

)j.m/DBOkg(Cv

)m/kg(]DBO[=)j(Ts 3

5

35

]MVS[Cm

Cv

SBPXCm

1bouedeAge

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Dimensionnement :

Filière eau

1 - les prétraitements : Dégrilleur – Dessableur – Déshuileur

2 - le réacteur biologique * le volume du réacteur biologique* les capacités d’aération

3 - le clarificateur * dimensionnement du clarificateur* recirculation des boues

4 – la production de boues

5 – les ouvrages annexes: • prétraitements compacts• décantation primaire• zone de contact• zone d’anaérobie• zone d’anoxie• ouvrage de dégazage

Filière boue

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Le réacteur biologique :

le volume dépend :

- de la quantité de boues nécessaire pour traiter la pollution donc de la Cm (donc de l’âge de la culture), et

- de la concentration des boues du réacteur (limite hydraulique du clarificateur).

Meilleur compromis 4 g/l + 0,5 (Cm = 0,1 et Ts = 1 j )

Quantité de boues : deux approches

- méthode des charges massiques

- méthode des âges de boues

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Méthodes des charges massiques

* on retient une charge massique (AP car PSB faible, stabilisation des boues, traitement de l’azote, qualité de l’eau élevée)

= 0,1 kg de DBO5 /kg de MVS.jour

* une charge de référence de X kg de DBO5 à traiter

* d’où charge réf / Cm donne kg de boues

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Exemple :

Calculez la quantité de boue puis le volume du bassin du bassin d’aération d’une station d’épuration type « aération prolongée » pour une ville de 12000 hab. On suppose : ‑ rejet par habitant 0.060 kg DBO5/jour

‑ charge massique 0.1 kg DBO5/kg MVS.j

‑ concentration des boues activées 4 kg MES/m3

et 2.8 kg MVS/m3 (70% car A.P.)On trouve : - flux massique journalier

12 000 x 0.060 = 720 kg de DBO5/jour

- quantité de boues dans le bassin720 / 0.1 = 7.200 kg MVS ou 10285 kg MES (720 / 0.07)

- volume du bassin7.200 / 2.8 = 2571 m3 (ou 10285/4)

Méthode des charges massiques

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Méthode de l’âge de boue

- fonction des objectifs recherchés : stabilisation,nitrification,…

La stabilisation est fonction de la température : + rapide en pays chaud d’où un âge de boue plus court (idem pour le taux de croissance de la biomasse autotrophe )

On peut approcher l’effet de la température sur l’âge de boue à partir de la formule suivante :

âge de boue (jours) x température (°C) = 250.

A partir de l’âge de boue et de la production journalière (quantité de pollution et Ps de boue), on obtient la quantité de boue.

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Exemple :

Calculez la quantité de boues dans le bassin d’aération d’une station d’aération prolongée pour une ville de 12000 hab. sous deux climats différents (15°C et 25°C). Puis calculez la charge massique et le volume du réacteur avec :

- flux massique à traiter : 720 kg DBO5/jr

- PSB = 0,65 kg de MES/ kg de DBO5 appliquée

- MES dans le réacteur biologique = 4 g/l

- Taux de MVS des boues = 70 %

Méthode des âges de boue

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On trouve :

Température 15°C 25°C

Age de boue 16,6 jours (250/15) 10 jours (250/25)

Flux massique 720 kg de DBO5/jour (12000 X 0,06)

Production de boue 720 X 0,65 = 468 kg de MES/jour

Quantité de boue 468 X 16,6 = 7769 kg MES

468 X 10 = 4680 kg MES

Charge massique

Kg de DBO5/kg MES.jr 720/7769 = 0,09 720/4680 = 0,15

Kg MVS (70 %) 0,13 0,21

Volume 1942 m3 1170 m3

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Calcul des besoins en O2 Calculer la demande journalière en oxygène en boue

* DOMat Org = a’Le = oxydation de la matière organique

Masse de DBO5 éliminée d’où flux de DBO5 apporté x rendement 95 % (AP-fC)

a’ fonction du domaine de charge :

AP-fC = 0.65 kg d’O2 / kg de DBO5 éliminé

* DOendogène = b’Sv = Auto-oxydation de la boue

Quantité de biomasse dans le système ( pas de boue dans le décanteur)

b’ respiration endogène 0.07Quantité d’oxygène nécessaire au métabolisme endogène de 1 kg de biomasse :

AP-fC = 0.07 kg d’O2 / kg de MVS

(on a 0,7 kg d’O2 /kg de DBO5 éliminée)

Kg D’O2/j = DOMat Org + DOendogène + DOnitrif - AOapport dénitrif

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Calcul des besoins en O2 * DOnitrif = Oxydation de l’azote nitrifiable

Il faut 4.2 kg d’O2 pour oxyder 1 kg d’azote ammoniacal = 4.2 x N nitrifiable

Azote ammoniacal disponible à la nitrification =

NK entrée - N organique particulaire réfractaire (Nopr) piégé

dans les boues

- N organique soluble réfractaire (Nosr) rejetée

- N assimilé

- N rejeté avec l’eau épuré (N-NH4+ rejeté)

* AODénitrif = Apport d’ O2 lié à la dénitrification (rétrocession).

De l’ordre de 2,85 g d’O2 par g d’azote dénitrifié = 2,85 * NDN

D’où une DJO (demande journalière en Oxygène) =

DJO = DOmo + DOendog + DOnit – AO dénit

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Exemple :Calculez les besoins en oxygène journaliers de la station d’épuration

(Aération prolongée Traitement du carbone) (température = 15 °C)

Donnée : Volume de réacteur = 1942 m3

[MES] = 4 g/l (taux de MVS = 70 %)

Flux massique = 720 kg de DBO5/jour

Rendement en DBO5 = 95 %

Réponse : DO mat.org. = 720 x 0,65 x 95 % = 445 kg d’O2/jourDO resp/endogène = 1942 x 4 x 0,70 x 0,07 = 380 kg d’O2/jourDJO = 825 kg d’O2/j avec 46 % respiration endogène

Et 54 % oxydation directe

heure/O'dkg34=24

825=moyenneDHO 2

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Calcul des besoins en O2

ConfigurationBassin unique

Bassin avec zone d’anoxie

Durée d’aération 14 h 16 à 18 h

DHO

(demande horaire en oxygène)

DJO/14 DJO/16 ou 18

AH’ en boue > DHO

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Les performances d’aération des aérateurs sont exprimées dans les conditions standard :

eau claire, température 20°C, pression normale, ….

AH’ (en boues) représente un pourcentage de l’AH eau claire dépendant du type d’aérateurs.

Avec

Coefficient correcteur global AHAérateur de surface ou insufflation moyennes bulles

70 % AH’/0,7

Insufflation fines bulles 50 % AH’/0,5

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)surfacedeaérateurslespour(=ΑSΒ

claireeauΑΗ=installeràPuissance

A.S.B. Moyen

Aérateurs de surface Turbines lentes 1.5

Turbine rapides 1.05

Brosse 1.55

Insufflation d’air Moyenne bulles 1.0

Fines bulles 2.5

Fines bulles en chenal avec agitation

2.8

Systèmes déprimogènes

Pompe + prise d’air 0.6

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Avec 0.21 : Pourcentage d’oxygène dans l’air

1.425 : masse volumique de l’oxygène (1.42 g d’O2/ l à 273 °K)

ROm : efficacité des diffuseurs par mètre d’immersion en %

On retiendra Rom = 4 % sans agitation.

Rom = 6 % avec agitation.

Puissance à installer : courbe donnée par les fournisseurs.

(Insufflation) hxROmx425,1x21,0

claireeauAH=insufflueràair'ddébitQ

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Deux objectifs : - O2 nécessaires aux microorganismes- Puissance a mettre en œuvre pour éviter le dépôt

TypePuissance spécifique minimale

Profondeur maximale

Observations

Turbines 30 W /m3 Petites (4 kW)

- H = 2,3 m

Grosses (25 kW)

- H = 3,3 m

Dispositif anti-giratoire en bassin circulaire peu profond

Brosses 25 W /m3 H = 2,2 m - déflecteur à l’aval immédiat de la brosse

- déflecteur en périphérie pour optimiser la vitesse du courant

Insufflation

(fines bulles)

12 à 15 W /m3 < 3,5 m Recommandée en régions froides

Aération

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Temps de fonctionnement des aérateurs selon le niveau de traitement recherché

• Élimination du carbone :Temps de fonctionnement optimal 16 à 18 h/j à la charge nominale.80 % de la charge arrive en 14 h

• Élimination des composés azotés :Le temps de fonctionnement ne doit pas dépasser 14 h /j , et des

périodes d’arrêt maxi de 2 heures sont nécessaires .

• Tendance actuelle séparation aération / brassage (agitateur grande pales) puissance variable selon la géométrie des bassins : - 3 W /m3 minimum pour une forme annulaire

- 12 à 15 W /m3 pour une forme rectangulaire et de grande longueur

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Autres recommandations :

• Favoriser le mélange effluent / boue :cloison siphoïde à l’entrée du bassin ( on limite le risque de court-circuit hydraulique )

• Évacuer la liqueur aérée aussi éloigné de l’entrée des eaux à traiter et des retours de boues.

Il est recommandé de placer une cloison siphoïde à l’amont de la lame déversante et de minimiser la chute d’eau (air)

La conduite de liaison :

- > à 150 mm de diamètre

- Vitesse 1 m/s

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Recommandation des aérateurs :

Turbine :

- Turbine ouverte préférable aux fermées (risque de colmatage)

- Hauteur de revanche de 50 cm, mur extérieur muni d’un acrotère : retour incliné ou horizontal

- Démarrage à variation de fréquence.

- Poteau de soutien des passerelles éloignés de l’aérateur pour éviter de briser la gerbe.

- Présence d’une jupe : facteur favorable aux mousses.

Turbine – Brosse : réglage par horloge,plots de 10 minutes.

Insufflation : - Surpresseur à double vitesse

- Isolation phonique et ventilation du local surpresseur

- Possibilité de contrôle du débit d’air :colmatage des rampes- mesures de pression- mesures de débit d’air.

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3.2 : Le processus de floculation

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Biologie des boues

Bactéries

Substrat=

Matière

organique

Protozoaires

Métazoaires

Transforment la pollution

PRODUCTEUR PRIMAIRE

Clarification de l’eau

Interstitielle

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Dynamique des populations bactériennes dans les boues activées

BOUE> 97 % d’eau

Forme dispersée- faible décantation- épuration limitée

Forme agglomérée- cas normal

Forme filamenteuse- foisonnement ou mousses stables- faible décantation

ORIGINEForte pression sélective

(substrat. O2)

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Membrane bactérienne

Eau résiduaire :

substrat nourricier (C,N,P…)

ABSORPTION

CATABOLISME ANABOLISME

20 % énergie

30 % • protoplasme• reproduction

METABOLISME

+ O2

Membrane bactérienne Mucilage

Réserves sucres

complexes

+

33 % 66 %

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Domaine des boues activées

FC – MC – fC – AP

SM.V.S.

A B C Temps

lo’

lDBO5

SK=dt

ds1 bs - KSl=

dt

ds 3 bs -=dt

ds

Croissance exponentielle Croissance ralentie Phase endogène

Schéma simplifié de la réduction de la pollution par les bactéries en fonction du temps

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Edifice biologique

• Bactéries :- croissance floculée- croissance dispersée- croissance filamenteuse

META

BACTERIES

PROTO

102 à 5.102 /ml

104 /ml

109 /ml

• Métazoaires :- rotifères- nématodes

• Protozoaires :- flagellés- ciliés (70 % des proto)- actinopodes (amibes)

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Flocs et niches écologiques

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Flocs et niches écologiquesA – liquide interstitiel

B – surface de floc

C – débris organiques, intérieur du floc

1)Croissance bactérienne et zooflagellée proportionnelle à la pollution

2)Croissance bactérienne de surface des flocs (flore bactérienne floculée)

3)Faune typique des boues activées répartie en :

- vorticelle exploitant les bactéries libres, mais ancrée dans la masse du floc,

- hypotriche exploitant la surface du floc,

- holotriche exploitant la surface du floc.

4)Faune dont la niche écologique est le liquide interfloc, tous les représentants sont bons nageurs. On distingue :

- les bactériophages (indice de pollution),

- les prédateurs de protozoaires (plutôt indice de faible pollution).

5)Faune détritivore = saprophage. Dévore une partie de la matière organique inerte, cadavres de protozoaires etc…Elle restitue une masse remaniée chimiquement au cours du transit intestinal.

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Vieillissement relatif des habitants d’une boue activée

Ce schéma fait apparaître clairement que les caractéristiques faunistiques d’une boue activée à un moment précis de son évolution sont :

- l’espèce majoritaire de la biocénose

- la diversité des espèces,présentes et leur fréquence relative

bactéries

zooflagellés

ciliés libres

ciliés fixés

rotifères

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3.3 : Le clarificateur

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Le dimensionnement de cet ouvrage dépend surtout de trois facteurs :

- le débit ( le débit maximum horaire )

- la concentration de boue dans le bassin d’aération

- et l’aptitude de la boue à décanter

Remarque : Les boues activées sont plus légères et plus volumineuse que les matières en suspensions dans les eaux brutes,et de ce fait,elles sédimentent plus lentement.

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Principe de la décantation

Boue composée de débris minéraux et végétaux,de colloïdes,d’éléments en suspension et en solution,et de micro organismes assurant l’épuration biologique.

La décantation correspond à la séparation des deux phases eau-boue en deux temps:

Floculation sédimentation création d’une interface de

boue appelée «voile de boue»

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Figure 1 :

Tronçon A – B = phase de coalescence (floculation des particules)

Tronçon B – C = sédimentation proprement dite : la vitesse de chute des particules est constante

Tronçon C – D = phase dite « de compression »

Courbe de décantation

Ha

ute

ur

Temps

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la nature de la boue ( IB )

concentration de la boue

protocole retenu : taille de l’éprouvetteT°C ( viscosité,…)pH…

Mesure de l’aptitude de la boue à la décantation: l’indice de boue.

Définition : c’est le volume qu’occupe 1 gr de boue après 30 minutes

de décantation statique.

g/mléprouvette'ldansMESdeQuantité

décantévolume=IB

Principaux facteurs influençant la décantation

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On note une relation linéaire avec un VD30 < à 300 ml d’où pour des boues concentrées = dilution

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RésultatsIb < 100 ml/g : les boues sédimentent facilement et sont bien

minéralisées (MVS < 60 %)

Ib ~ 100-150 ml/g : conditions normales de fonctionnement

Ib > 200 ml/g : problèmes de mauvaise décantabilité.

Ces valeurs sont liées :

- soit à une prolifération de bactéries filamenteuse (eau surnageante limpide) fréquentes pertes de boues, accidentelles ou chroniques

- soit à des phénomènes de défloculation (eau surnageante trouble) dus à des variations physico-chimiques de la boue.

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Utilisation de l’IB :Pour l’évaluation et le dimensionnement des performances des décanteurs

secondaires.Pour la gestion des boues si l’Ib est stable.

Si l’indice est stable :

- élaboration d’une courbe d’étalonnage :

- tests de décantation en éprouvette à différentes concentrations

(100 < VD 30’<250 ml)

- traçage de la courbe d’étalonnage de la boue (calcul de l’Ib).

- vérification de la stabilité de l’Ib

- détermination de l’intervalle de concentration correspondant à un fonctionnement correcte de l’installation .

La courbe permet de calculer immédiatement la concentration en boue à partir du VD30’ obtenu (en tenant compte du facteur de dilution retenu pour ce test).

]MES[

VD=I '30

B

51

Exemple :Ib = 150 ml/g (valeur stable)VD30’ = 220 ml après dilution au 5ème C = 5 x (220/150) =7,3 g/l

Possibilité de déterminer facilement l’extraction de boue et de contrôler si la masse extraite a été correcte.

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L’observation microscopique

- permet d’apprécier la structure particulaire du floc (forme, grosseur, distribution)

- permet de rechercher les protozoaires, métazoaires = prédateurs des bactéries

- observations des filaments

- les associations entre les différentes espèces d’une boue révèlent le fonctionnement du traitement biologique

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Les décanteurs secondaires

Rôle- Séparer le floc formé dans le bassin d’aération de l’eau traitée

- [MES] à l’entrée du décanteur = plusieurs g/l Rendement de l’ordre de 99 %

- [MES] à la sortie = quelques dizaines de mg /l

3 fonctions

- retenir le maximum de particules en suspension

- concentrer les boues avant leur réintroduction dans le bassin d’aération [MES]

- stocker la boue provisoirement lors d’une surcharge hydraulique temporaire et prévisible

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Conditions d’un bon fonctionnement:- respect des règles de conception- gestion rationnelle de la production de boue (donc de la

concentration)- maîtrise de la décantation des boues

Définition de la vitesse ascensionnelle Appelée également vitesse de hazen ou charge hydraulique superficielle

débit de pointe à traiter (m3/h) =

surface du décanteur (m2).

Elle s’exprime en m3/m2.h

Indépendante de la hauteur de l’ouvrage

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vs = vitesse de chute d’une particule vL = vitesse horizontale du liquide

t1 < t2

Vs > appelé charge hydraulique superficielle

m3/m2.h ou vitesse ascensionnelle

sv

H=1t

Lv

L=2t

lxH

Q=vL

Ls v

L<

v

H

Q

l.H.L<

v

H

s

l.H.Lv<QH s S

Q>

l.L

Q>vs

S

Q

t1 < t2

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Surface à prendre en compte :

• Décanteurs à flux vertical et horizontal:surface au miroir = section du plan d’eau superficielle du clarificateur (déduction faite du clifford pour le décanteur à flux vertical)

• Décanteurs lamellaires : surface au miroir ou surface totale projetée

(STP = [ n-1 ] S cosθ)

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Présentation des différents types de décanteurs

1) Ouvrages à flux vertical et à flux horizontalComportement de la boue activée

Décanteur secondaire

Cas d’un décanteur à flux horizontal Cas d’un décanteur à flux vertical

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Description

- Le bassinVolume temps de rétention de l’eau en clarificationPartie supérieure de l’ouvrage équipé d’une lame

déversante et d’une cloison siphoïde = collecte des eaux clarifiées

- Cheminée d’alimentation ou « clifford »Dissipation de l’énergie hydrauliqueRépartition régulière et homogène de la boue

- Équipement de reprise des bouesRenvoi des boues épaissies dans le bassin d’aération

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- Mécanisme de raclagePas toujours présentFixé à un pont mobilRacleur : ramène les boues vers le puit de recirculation

* Caractéristiques du décanteur à flux vertical

Ouvrages cylindriques, cylindro-coniques ou tronconiques à alimentation centrale (= clifford)

Prescription pour les boues activées : ouvrages cylindrique munis de racleur de fond

Petits diamètres : 20 à 25 m, rapport rayon / profondeur < 5

Extrémité libre du clifford située entre la moitié et le tiers inférieur de la profondeur rôle filtrant du «lit de boue»

62

- décanteur cylindro-coniquePour les installations < 2000 éq.habAbsence d’appareillages mécaniques (fond conique – pente de radier importante)Recirculation : pompage en fond – pompe adjacente

Avantage : grand développement du déversoir de reprise de l’eau décantée (faible risque d’entraînement des boues)

Inconvénients : - exige une grande profondeur (pente importante)- réservé aux petites collectivités (

terrassement)

- décanteur coniqueMêmes remarques que précédemmentVolume et profondeur inférieurs au cylindro-conique à surface égale

63

- décanteur cylindrique

Implanté pour les surfaces importantes

Décanteur raclé à fond plat (raclage par commande centrale ou périphérique)

Avantages:

Très bon développement de la lame déversante

Boues bien épaissies

Dispositif d’écumage facile à installer

Inconvénients :

Long séjour des boues sur le radier risques de dénitrification et de fermentation des boues très organiques (fortes charges). Ces phénomènes sont évités par la mise en place d’un bras racleur succeur.

64

* Caractéristiques du décanteur à flux horizontal

Introduction de la boue à l’une des extrémités favorise la composante horizontale du flux à l’entrée du décanteur : temps T1 (atteinte du fond ) < T2 ( temps de parcours entrée – sortie )

Ouvrages

parallélépipédiques

Ouvrages circulaires

à fort diamètre

(25 à 30 m)

Rapport longueur / profondeur <10/1

Optimum : longueur de 30 à 40 m

profondeur > 3,50 m

Rapport r / h > 5

65

Décanteur longitudinal

Utilisés pour les grosses collectivités

Raclage :

- système de va et vient

- système de chaîne sans fin

Inconvénients:forte hauteur de la lame déversante

(vitesse élevée = entraînement des particules)

66

Décanteur lamellaire

67

2) Décanteur lamellaires

* Principales parties de l’ouvrage- zone d’admission de la liqueur aérée dans l’ouvrage

- zone d’introduction dans la trémie

- fosse à boue

- bloc lamellaire (nature du matériau, angle d’inclinaison et écartement des plaques)

- dispositif de collecte des eaux clarifiées

68

* AvantagesModules lamellaires inclinés augmentation de la surface de

décantation (STP) pour une plus faible emprise au sol.

Permet de traiter des débits plus importants pour une même emprise au sol.

Ouvrages plus compact pour un même débit à traiter –Gain de place variable selon la capacité de l’installation (surface de la Zone d’introduction très pénalisante pour les petits ouvrages)

Gain moyen maxi = 4,8 pour 50000 eq.hab et un Vc de 200 ml/l (1,8 pour 1000 eq.hab)

69

Définition de la vitesse ascensionnelle limite des ouvrages

Elle dépend de la qualité de la boue (IB) et de sa concentration

On parlera de volume corrigé = IB x [MES]

Avec la relation suivante :

70

Charge hydraulique superficielle limite admissible dans un décanteur secondaire

71

- Cas des décanteurs à flux vertical et à flux horizontal

décanteurs à flux vertical : gain de 30% sur la vitesse limite par rapport aux décanteurs à flux horizontal

Va limite = Q pointe / surface au miroir

- Cas des décanteurs lamellaires

Va limite = Q pointe / Surface au miroir ou STP

72

* Si pertes de boue observées lorsque le point (Vc, Va) se trouve dans la zone inférieur de la courbe :

- problèmes d’efficacité de la recirculation (débit insuffisant)

- problèmes de conception (immersion trop importante du clifford…)

- problèmes de foisonnement

-concentration en MES dans le bassin d’aération trop forte

* Si pertes de boue observées lorsque le point (Vc, Va) se trouve dans la zone supérieure de la courbe

- Problème de surcharge hydraulique dû à :- un débit moyen de relevage trop important,- un mauvais calage des poires de contact- une diminution de la hauteur de relèvement- un dysfonctionnement du déversoir d’orage sur réseau unitaire

73

Dimensionnement

La surface du décanteur est calculée à partir de la charge hydraulique superficielle limite en tenant compte de la profondeur nécessaire de l’ouvrage.

La profondeur intervient uniquement sur l’épaississement et le stockage des boues.

74

- Données de base :

[MES] maximale de boues activées

Indice de boue

Débit de pointe

Démarche

75

Détermination de la surface du clarificateur

• Calcul du volume corrigé• Détermination de la vitesse ascensionnelle

limite à partir de la courbe • Calcul de la surface du décanteur

itelimVasc

Qp=S

76

Station = 1000 éq.hab.

Q pointe = Q pompe relèvement = 20 m3/h

CB

(g/l)

IB

(ml/g)

Va

(m3.m2.h)

Débit admissible

en entrée station

Situation 1

Situation 2

Situation 3

5

8

5

150

150

200

0,6

0,3

0,4

20 m3/h

10 m3/h

13 m3/h

)m5,6=1(m33=6,0

20=décanteurS 2

77

Remarque

• Augmentation de la concentration dans le bassin d’aération

de 3 g/l diminution du débit admissible de 50 %

• Augmentation de 30 % de l’Indice de boue diminution du débit admissible de 50 %

78

Choix de la vitesse ascensionnelle limite

• Cas des décanteurs à flux vertical : vitesse limite = 2.56 e-1,93.10 –3.Vc

Effluent /type de boues activées

Vol. corrigé

Ib de réf. (ml/g)

[MES] Bassin

aération (g/l)

FoisonnementSécuri.

Supplé-ment.*

Vit.asc. préconisée

en m/h (STP)

Domestique / AP

700 200 4.5 / 3.5 Très fréquent

25 % des cas

- 0.6

Urbain / MC 375 120 à 150 3.5 / 2.5 Possible - 1.25

Laiterie / AP 1250 250 6 / 5 Périodique + 0.25

Abattoir / AP 900 150 à 180 6 / 5 Peu prononcé pour exploitat.

correcte

+ 0.35

* Charges hydrauliques nominales rapidement dépassées

79

• Cas des décanteurs lamellaires : Vit. Hazen limite = 1.2512 e-0.0031 Vc

Type de boues

activées

Ib (ml/g)

[MES] (g/l)

Vc (ml/l)

Vit. Hazen limite en m/h

(STP)

Cas le plus fréquent

AP faible charge

150 4 600 0.19

Moyenne charge

120 3 300 0.41

Forte charge

100 2 200 0.67

Rq : AP faible charge : [MES] = 4 g/l maxi afin d’éviter les carences nutritionnelles

80

• Autres points importantsImportance de la profondeur des décanteurs

Différentes hauteursDéc. à flux vertical

et horizontalDéc. lamellaires

1) Distance : haut des plaques / lame de surverse

/ 0.50 m

2) Zone eau clarifiée 0.50 m 0.20 m

3) Zone de décantation 0.8 à 1.0 m Vol. occupé par les plaques moins

zone d’eau clarifiée

4) Zone de répartition de la liqueur aérée

/ 0.15 à 0.20 m

5) Zone d’épaississement (CBA x I) / 1000 ([MES] x Ib) / 1000

6) Zone de stockage (pointes hydrauliques) et de reprise des boues

(C.VBA.I) / X.S réseaux unitaires

uniquement

Valeur faible

X = 1000 ou 500 pour un facteur d’épaississement de 2

81

Hauteur en eau totale à la périphérie pour les décanteurs raclés à flux vertical

• Pas inférieur à 2 m en réseau séparatif• 2.5 m en réseau unitaire • Surprofondeur : facteur sécurisant sur le plan hydraulique

(risque : temps de séjour de la boue)

Profondeur minimal des décanteurs à flux horizontal :

3.5 m (pour une longueur optimale de 30 à 40 m)

82

Autres relations

• Facteur d’épaississement (f)• Il est fonction : - de la qualité de la boue

- de la recirculation

- de la profondeur du bassin

f = (Cr/Ce) : rapport de la concentration des boues recirculées sur la concentration de la liqueur à l’entrée du décanteur

83

• Taux de recirculation (t)• Rapport du débit recirculé sur le débit à l’entrée du

décanteur (Qr/Qe)

• Taux de recirculation le plus courant : 100 à 150 % (pour un fonctionnement correct de l’installation)

• Recirculation trop forte décantation imparfaite,

entraînement de fines,

turbulences dans le décanteur

trop faible dénitrification

ou fermentation dans le décanteur

84

• Équilibre hydraulique

• Etat correspondant à un niveau relativement stable du voile de boue dans le clarificateur

• Il est vérifier par la relation exprimant la conservation des flux de matière transitant dans le système :

(Qe + Qr)Ce = QrCr + QeCs soit f = 1 + 1/t (avec QeCs 0)

100 % de recirculation : Qr = Qe Cr = 2 Ce soit f = 2

150 % de recirculation : Qr = 3/2 Qe Cr 1.66 Ce soit f = 1.66

85

• Détermination de la concentration des boues de recirculation (Cr) en fonction de l’Ib

• Permet de connaître la masse de matière transitant du décanteur vers le bassin d’aération

• Permet d’apprécier la capacité du décanteur à épaissir les boues

Test de décantation sur les boues recirculées :

Cr = 1000 / I avec I = Vd 30’ / [MES] boues recirculées

° Ib < 100 ml/g Cr > 10 g/l (maxi)

° 100 < Ib < 200 5 < Cr < 10 g/l

° Ib > 200 Cr < 5 g/l

86

• Temps de séjour dans les décanteurs

• Lié à la charge hydraulique superficielle limite

Pour 1 m3/m2.h temps de séjour 2 heures (30 minutes en décantation lamellaire)

• Fonction du taux de recirculation. Compromis entre la nécessité d’un épaississement suffisant et le maintien en activité de la boue avant son retour dans le bassin d’aération

87

Recommandations techniques supplémentaires

• Equipement et génie civil

• Qualité du revêtement intérieur

Rugosités rétention de paquets de boues évoluant vers l’anaérobiose, ce qui entraîne leur remontée

• Pente : > 45°, 50° pour les décanteurs coniques

88

• Bassin de dégazage• S = 1 à 2 m2 On retient en général :

1 m2 pour 80 m3/h (à partir du débit de pointe d’eaux usées augmenté du débit de recirculation) et par tranche de 2000 éq.hab.

ou 2.5 m2 par tranche de 5000 éq.hab.

• Première dissipation de l’énergie hydraulique entre le bassin d’aération et le décanteur

• Évite l’engorgement de la conduite d’alimentation du décanteur par l’air qui provoque indirectement des à-coups hydrauliques (bouchons d’air …)

• En cas de dénitrification dans le bassin d’aération, piégeage plus ou moins important des mousses formées par les bulles de gaz et le floc entraîné

89

Dispositif d’alimentation du décanteur ou clifford

• Fonction répartir uniformément le flux de liqueur aérée et dissiper au maximum l’énergie produite lors du transfert boue activée-décanteur

• Surface de l’ordre de 1 m2 par tranche de 1000 éq.hab.• Vitesse maximale de passage : < 2.5 cm/s (recirculation incluse)• Base du clifford : horizontale afin de réduire les turbulences (voile

de boue plus agité sur un rayon de 1 à 1.5 m autour du clifford• Immersion :

Déc. coniques : entre la moitié et le tiers inférieur de la profondeur

Déc. cylindriques : ne pas descendre en dessous de la moitié de la hauteur

Dans tous les cas : orifice inférieur du clifford pas à moins d’un mètre du fond du décanteur

Minimum de 1 m libre entre le débouché des boues et la reprise de la recirculation (sans tenir compte d’un éventuel puits à boues)

90

Dispositif de raclage

• Racleur de fond et récupération des flottants (mise en place d’une large trémie)Destination des flottants éviter les retours en tête de station

• Immobilisation possible du racleur dans les pays froids (gel)

• Existence de système à commande centrale permettant d’éviter ces phénomènesProblème : équipement lourd et onéreux

• Rotation complète en ¼ heures (turbulences au fond de l’ouvrage évitées)

91

Lame déversante et goulotte de récupération

• Goulotte extérieur de préférence (protection par lame siphoïde

• Auto-nettoyage de la goulotte (balai sur le pont racleur) :

• Vitesse d’approche sur la lame déversante : 10 cm/s

• Cas des décanteurs à flux horizontal : la goulotte doit se situer quelques mètres à l’aval (écoulement des boues le long des parois) – Ne pas dépasser 10 m3 par mètre linéaire de surverse

92

Origines possible du dysfonctionnement

• Interprétation du test en éprouvette Problèmes de densité Problèmes de floculation Problèmes de compaction

• Inadaptation des organes de relèvement

• Gestion non rationnelle de la masse de boue

• Sous dimensionnement – conception défectueuse du décanteur secondaire

• Prolifération de bactéries filamenteuses

• Taux de recirculation de la boue trop faible

• Anoxie - dénitrification

93

Si pertes de boue :

A – Au dessus de la courbe dépassement de la vitesse ascensionnelle limite

MES et IB

Matières en suspension Indice de boue

Mauvaise gestion de la masse de boue

Conséquences :

Cm

O2 fermentation,

soufre réduit

Aspects qualitatifs composition et l’équilibre

Aspects quantitatifs : faible Cm

Aération et période d’arrêt (< à 2 h)

Brassage

Flottants : facteurs mécaniques :

dénivellé BA / clarificateur

jupes autour des turbines (démonter ou à raccourcir)

Mauvaise gestion de la filière boue

(S réduit)

94

• B – En dessous de la courbe problèmes de conception et de réglages

Problèmes de conception Problèmes de réglage

Hydraulique Mauvais dimensionnement des pompes d’alimentation (hauteur de relèvement)

Clarificateur Clifford (immersion, vitesse) Horizontalité de l’ouvrage Profondeur (< à 2 m en périphérie)

Absence de dégazage Dénivelé important entre BA/clarificateur Minimiser les entraînements de gaz en sortie BA

Génie civil Rugosité des parois

dénitrification

petits ouvrages :

recirculation syncopée

95

5 - L'influence de la charge organique spécifique sur la production spécifique de boues

La production spécifique de boues (PSB), mesurée comme matières sèches

(MS) ou MES, est à strictement parler, exprimée comme suit:

PSB = kg MS produites ou de MES/kg DB05 éliminée

Puisque le rendement d'élimination des procédés biologiques est normalement supérieur à 90%, on peut également écrire:

PSB = kg MS produites ou de MES /kg DBO5 apportée

La production des boues est le résultat de deux mécanismes distincts: – - la croissance bactérienne,– - la dégradation des bactéries.(auto-oxydation ou respiration

endogène)

96

3.1 – La recirculation de boue

97

Recirculation des boues activées

•Triple fonction• Maintenir une concentration donnée en boue dans le

bassin d’aération

• Concentrer la boue au niveau du clarificateur

• Le temps de séjour des boues est plus élevée que le temps de séjour de l’eau

Le taux de recirculation peut-être établi à partir du bilan des matières en condition d’équilibre

98

Où :QE = débit d’entréeQR = débit de recirculationXBA = concentration de boues dans le bassin d’aérationXBR = concentration de boues dans la recirculation

Entrée des boues dans le clarificateur

(QE + QR) . XBA

=

=

Sortie des boues du clarificateur

QR . XBR

QEXBA

QE + QRQE

XBRQR

99

Entrée des boues dans le clarificateur

(QE + QR) . XBA

=

=

Sortie des boues du clarificateur

QR . XBR

QE . XBA + QR . XBA = QR . XBR

QE . XBA = QR . XBR – QR . XBA

QE . XBA = QR (XBR – XBA)

ionrecirculatdetaux=Q

Q=

X -X

X

E

R

BABR

BA

100

Cela donne : QR/QE = XBA/(XBR - XBA)

QR/Q = taux de recirculation = 100 % = 4/8-4 = 150 % XBR = 6,66

Facteur d’épaississement = f = 1 + 1/tf = 2 t = 100 %f = 1.67 t = 150 %

[XBR] max = 1000/IB

Meilleur compromis : 100 % sur QPTP f = 2150 % sur QPTS f = 1,67

]X[

]X[=f

BA

BR

101

Poste de recirculation

• Situé à proximité du décanteur – Dimensionné sur le débit de pointe nominal de la station

• Colmatage important – mais problème minimisé si :• Les vitesses dans les conduits sont supérieures à 1 m/s• Le nombre de coudes est réduit• Le diamètre des conduites est supérieur à 150 mm

• Dispositif de secours indispensable

• Installation habituelle : pompe immergée ou vis d’archimède (imbouchable – problème : coût élevé

102

• ExempleCalculez les volumes des boues à extraire du clarificateur et du bassin d’aération (données comme ci-avant)pour maintenir un taux de boue constant :

- flux massique = 720 kg de DBO5 par jour- PSB = 0,65 kg de MS/kg de DBO5 appliquée- Concentration en MES du BA = 4 g/l - Taux de recirculation = 150 %

103

On trouve :

Production journalière de boues = 468 kg MS/jour

Concentration boues de recirculation = 6,7 kg/m3

Volume à extraire Sur le bassin d’aération = 117 m3/j

Sur la conduite de recirculation = 69 m3/j

104

• ExempleCalculez le débit de recirculation (sur la pointe d’entrée) pour maintenir les concentrations suivantes : Supposez :

- concentration de boues bassin d’aération : 4 kg MS/m3

- concentration des boues de recirculation : 8 kg MS/m3

Rappel : Ville de 12000 Habitants Rejet par habitant = 0,150 m3/jour

On trouve :

Taux de recirculation : 4/(8-4) = 1 (100 %)

Débit journalier 1800 m3/j

Débit horaire moyen d’entrée 75 m3/h

Coefficient de pointe 2,05

débit horaire de pointe 75 x 2,05 = 153,75 m3/h

Débit horaire de recirculation 153 m3/h

105

4 – La production de boue

106

IV – La production de boue

• la quantité de biomasse vivante à partir d’un kg de DBO5 éliminée (AP = 0.6 kg de MVS/kg de DBO5)

• la qualité d’auto-oxydation (fraction de matière vivante détruite journalièrement (0.06 à 0.05 kg de MVS / kg de MVS)

• la quantité de matières minérales apportée par l’effluent

• la quantité de matières organiques difficilement biodégradable (30 % de MVS de l’effluent entrant)

• pertes de boues.

•En boue activée

La production dépend de :

107

I - Calcul théoriqueL'accroissement quotidien des MES dans le bassin d'aération est égal à :

avec :

Le = masse de DBO5 éliminée par jour.

Sv = biomasse présente dans le système en MVS.

Smin = masse journ. de matières minérales apportées par l'effluent à traiter= 25 à 35 % des MES de l'effluent entrant.

Sdur = masse journalière de MO peu dégradables dans l'effluent à traiter.= 25 à 35 % des MVS de l'effluent entrant.

Sf = masse de boues éliminées avec l'effluent de sortie.

Sf - dur S + min S + bSv - aLe = S

108

Valeurs

a = quantité de biomasse produite à partir d'1kg de DBO5.b = fraction de biomasse détruite quotidiennement par respiration endogène.

a b

Aération prolongée 0.6 0.05

MC / FC 0.55 0.06

109

II – Calcul rapide

• Formule simplifiée

Production de boue = k [(flux DBO5 + flux MES)/2]Remarque = réseau unitaire

DBO5 peut augmenter de 10 %MES peuvent augmenter de 30 à 40 %

k

Aération prolongée 0.84

Moyenne charge sans stabilisation* 1.10

Moyenne charge sans « stabilisation » aérobie* 1.03

Moyenne charge avec « stabilisation » anaérobie* 0.84

* y compris boues primaires

On retient

35 à 40 g de MES/EH

soit 0.75 kg de MES /kg de DBO5 éliminé (AP)

110

Exemple :Calculez la production de boue (calcul rapide et précis) de

notre installation (12 000 habitants)

Données :

Rendement en DBO5 = 95 % (AP)

Réacteur biologique = 4 g de MES/l (70 % MVS)

Volume de réacteur = 1942 m3

eaux de sortie [MES] = 10 mg/l

Rejet / habitant = 60 g DBO5/jr

= 150 l/jr

= 50 g MES/jr

111

Réponse :Calcul rapide flux de DBO5 = 60 g x 12000 = 720 kg de DBO5/j

flux de MES = 50 g x 12000 = 600 kg de MES/jD’où production de boue journalière

720 + 600= 0,84 (---------------) = 554 kg de MVS 2

Calcul précis S = aLe - bSv + S min + S dur – Sf

aLe = 0,6 x 720 x 95 % = 410,4bSv = 0,05 x 1942 x 70 % = 68S min = 50 g x 12000 x 30 % = 180S dur = 50 g x 12000 x 80 % x 30 % = 144Sf = 12000 x 150 x 10 = 18

Production journalière de boue = 410,4 – 68 + 180 + 144 – 18 = 648 kg

112

5 – Les ouvrages annexes

113

Prétraitements compacts

• Fonction :

évite les ouvrages suivants :

dégrilleur

dessableur

deshuileur

114

Décantation primaire

• Piégé une partie de la pollution par sédimentation

115

Zone d’anaérobie

• Déphosphotation biologique

116

Zone de contact• Objectif : éviter le développement de certaines

bactéries filamenteuses Cas 1 : Zone de contact séparée du bassin d’aération

50 %

BA DIIZC

OB

OQB1

OE

100 %Légende :

BA = bassin d’aération

DI = décanteur primaire QE = eau usée à traiter (prétraitée)

DII = décanteur secondaire QB = débit de boue recirculée dans la zone de contact

zc = zone de contact QB1 = débit de recirculation vers le bassin d’aération

Za = zone d’anoxie

117

Cas 2 : Zone de contact intégrée au bassin d’aération

ZC

BA

OE

DII

QB1

OB

Légende :






118

Cas 3 : Zone de contact dans une filière comprenant une décantation primaire

OEDI

0,3 OEzc

OE

BA

OB1

DII

Légende :






119

Zone d’anoxie• Objectif : élimination de l’azote

Eaux

usées

Eaux

épurées

Recirculation des nitrates

Recirculation des boues 100 à 150 % QJ Extraction

QJ

300 à 400 % QJ

Bassin d’aérationBassin d’anoxie

Dégazage

Clarificateur

QJ

Boues en excès

120

Ouvrages de dégazage

• Fonction : évite les turbulences à l’entrée

du clarificateur

121

Zone d’anoxie

BA DIIzc

OB1

OE

100 %

za

OB 50 %

OB2 300 à 400 %

Cas 3 : Zone de contact dans une filière éliminant l’azote

122

Résultats =

a Le = 0,6 x 1176 kg de DBO5 élim. (temps sec) = 705,6 kg de MES /jour.

Sv = 4615 m3 (Vol uniquement du BA ) x 4 g/l x 65 % = 11 999 kg de MVS.

d'où b Sv = 0,05 x 11999 kg de MVS = 600 kg de MES /jour.

Smin = 30 % des MES= 1600 kg de MES x 30 % = 480 kg de MES /jour.

Sdur = 30 % des MVS de l'effluent= 1120 kg de MVS x 30 % = 336 kg de MES /jour.

Sf = Concentration des MES de l'effluent de sortie = 20 mg/l

soit une charge (4000 m3 x 20 mg/L) en MES rejetée de 80 kg de MES /jour.

d'où Production totale de boue = 842 kg de MES /jour.

706 - 600 + 480 + 336 - 80 kg

La production totale de boue par temps de pluie est de 1597 kg de MES/j.

82 les boues activées jean pierre canler groupement de lyon

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