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WO1996038385A1 - Procede d'epuration d'une eau contenant une charge polluante, et additif pour la mise en ×uvre du procede - Google Patents

Procede d'epuration d'une eau contenant une charge polluante, et additif pour la mise en ×uvre du procede Download PDF

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Publication number
WO1996038385A1
WO1996038385A1 PCT/FR1996/000826 FR9600826W WO9638385A1 WO 1996038385 A1 WO1996038385 A1 WO 1996038385A1 FR 9600826 W FR9600826 W FR 9600826W WO 9638385 A1 WO9638385 A1 WO 9638385A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
water
mineral additive
additive
purified
mineral
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1996/000826
Other languages
English (en)
Inventor
Frédéric Clauss
Alain Bidault
Norbert Wamser
Harald Tropper
Delphine Helaine
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
INTERNATIONALE DES TALCS Cie
Original Assignee
INTERNATIONALE DES TALCS Cie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INTERNATIONALE DES TALCS Cie filed Critical INTERNATIONALE DES TALCS Cie
Priority to AU62284/96A priority Critical patent/AU6228496A/en
Publication of WO1996038385A1 publication Critical patent/WO1996038385A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/52—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities
    • C02F1/5236—Treatment of water, waste water, or sewage by flocculation or precipitation of suspended impurities using inorganic agents

Definitions

  • the invention relates to a process for purifying water containing a polluting load, as well as an additive for carrying out the process.
  • the invention applies generally to the purification and purification of water using treatment units operating chemically, physico-chemical, or even biologically.
  • water currently means either used water of industrial or municipal origin, or water to be made potable.
  • purification is intended to mean both a purification of waste water and a purification with a view to obtaining drinking water.
  • polluting load intends to designate at present all the compounds of all chemical, organic or inorganic natures making either a waste water unfit for fish life (therefore its discharge into the river), or a drinking water unfit for consumption .
  • This polluting load is expressed by its flow at the inlet of the purification unit, that is to say the mass compared to the time unit, whether it describes carbon pollution (COD or BOD), pollution particulate matter (MES), nitrogen pollution (N-NH4, N-NO3, total N) or phosphorus pollution (P-PO4, total P).
  • COD indicates the chemical oxygen demand, expressed in mg / liter of oxygen equivalents.
  • BOD is the biological oxygen demand expressed in mg / liter of oxygen equivalents.
  • MES indicates the Suspended Matter expressed in mg / liter.
  • N-NH4 designates the ammoniacal nitrogen content expressed in mg / liter.
  • N-NO3 designates the nitric nitrogen content expressed in mg / liter.
  • N total denotes the total nitrogen content expressed in mg / liter.
  • P-PO4 designates the phosphorus content of orthophosphates expressed in mg / liter.
  • P total denotes the total phosphorus content expressed in mg / liter.
  • pre-treatment by screening and / or grit removal and / or grinding.
  • the purpose of this operation is to eliminate solid particles of all sizes and of all kinds, which are carriers of pollution and create deposits or mechanical breakdowns in subsequent treatment facilities.
  • the latter When it is a question of drinking water, the latter is first screened and sanded and can then undergo different complementary treatments by simple or accelerated decantation in the presence or not of chemical additives, by filtration on gravity bed or on support, or by flotation using air bubbles.
  • the water to be made potable is subjected to specific treatments for removing pollutants by passage through resins, activated carbon or by ultra-filtration, nano-filtration, chlorination, ozonation, nitrification and denitrification, etc.
  • the wastewater can undergo additional treatments by simple or accelerated decantation with or without the addition of chemical additives, by filtration, by flotation using gas bubbles (generally air), before being sent to biological tanks.
  • this wastewater can be sent directly to these biological basins after the sand removal.
  • biological basins also called “activation basins”
  • the water to be purified is subjected to biological degradation in the presence of a biomass composed of purifying microorganisms, that is to say bacteria.
  • secondary clarifier For the treatment of wastewater, biological degradation is carried out by bacteria of various natures in order to eliminate carbon and / or nitrogen and / or phosphorus pollution, this degradation taking place in one or more biological basins undergoing phases aerobic, anoxic and anaerobic. Microorganisms or bacteria generally agglomerate to form flocs which are separated from treated water by difference in density with the treated water or by size exclusion in a "secondary clarifier".
  • secondary clarifier is understood to mean an apparatus in which separation takes place by flotation, by decantation, by hydrocycloning, by centrifugation or by filtration.
  • the purified water can then be directly discharged into the river, while the thickened flocs called "sludge", collected in the secondary clarifier are partially recycled to the basins biological in order to maintain a high number of purifying micro ⁇ organisms and maintain biological activation, the other part being a waste to be treated.
  • sludge thickened flocs collected in the secondary clarifier
  • the water to be purified is subjected to at least one particular operation, in particular by decantation and / or biological activation, with subsequent separation of purified water and optionally activated sludge.
  • the ultimate sludges from the different settling operations are drawn off, thickened, then conditioned to reduce their volume and mass for agricultural use by spreading, landfill or incineration.
  • part of the pollution is transferred from water to sludge, not improving the purifying quality of the biological system.
  • This process is similar to the Japanese process described above but is intended more particularly for the primary settling of solid and colloidal fillers. It combines pairs of coagulating and flocculating chemical agents with ballast charges with coarse particles. This process is limited to the treatment of very dilute water.
  • the object of the invention is in particular to overcome the drawbacks of known purification methods.
  • the invention provides a process for purifying water containing a polluting load, in which the water to be purified is subjected to at least one treatment operation, in particular by decantation and / or biological activation, with subsequent separation. purified water and possibly activated sludge.
  • At least one mineral additive in the form of powder, granules or suspension is added to the waste water to be treated, and having the following properties: non-adsorption (as defined below) and chemical inertness with regard to the polluting load present in the water to be treated;
  • the adsorption capacity of the pollutant load by the mineral additive is calculated, on the one hand, by measuring the difference in D.C.O. soluble between the raw water to be treated and this same water after 5 h of contact with 1 g of additive. This difference in D.C.O. soluble must be less than 60 mg / g of additive, to qualify this product as non-adsorbent.
  • the nitrogen adsorption capacity N-NH 4 is determined in the same way. This adsorption capacity must be less than 10 mg per gram of additive.
  • the BET method designates a method by measurement of gas adsorption isotherm according to BRUNAUER, EMMET and TELLER, the gas used being argon.
  • microporosity is determined by measuring the adsorption-desorption gas isotherm according to BET, the gas used being nitrogen.
  • the speed of fall is measured, when decantation takes place in a laminar regime, using a device called "Sedigraph" from the company MICROMERETICS, and, when decantation takes place in a non-laminar regime, using a one meter water column.
  • the fall speed characterizes the sedimentation of 95% of the additive.
  • the measurement with the "Sedigraph” device is carried out in a 4 cm high sedimentation cell.
  • the calculation is carried out by monitoring the concentration as a function of time by reading the optical density.
  • NTU is the abbreviation for Nephelometric Turbidity Unit (see ASTM 1880-81).
  • the invention is based on the addition of at least one specific mineral additive with predetermined physicochemical characteristics, which makes it possible to modify the flocculation of particles and / or colloids in suspension, as well as the bio ⁇ flocculation of microorganisms , to improve the purification performance of water treatment units.
  • the mineral additive is a natural or synthetic product chosen from at least one of the chemical families formed by silicates, aluminates, carbonates, sulfates and insoluble or weakly soluble glasses with usual pH conditions described above.
  • the mineral additive can be synthesized by different routes to obtain particular physico-chemical characteristics, such as specific surface or rate of fall.
  • the mineral additive can be obtained naturally or else be ground before being chosen (switching to the selector) to obtain specific physicochemical properties such as porosity, turbidity or rate of fall.
  • the mineral additive is preferably chosen from one of the following chemical families, given without limitation and characterized by all the criteria described above: - aluminosilicates,
  • the mineral additive is chosen from at least one of the following groups of products, given without limitation:
  • a particular example according to the invention consists in using all or part of the solid residues from treatment plants, when these residues contain significant quantities of one or more additives mentioned above.
  • the mineral additive used in the process of the invention comes from mixtures of families of the minerals described above, whether this mixture is prepared in advance or that it is produced on site by successive and alternating additions of different types of mineral.
  • the invention applies in particular to a process in which the water to be purified is water to be made potable and is subjected to a primary separation operation in a primary clarifier, with decantation.
  • the mineral additive according to the invention is then added before or during the primary separation operation, so that the daily mass (also called “daily mass") of the mineral additive added is equal to 1 to 500 times the daily mass of the pollutant load contained in the water.
  • a drinking water station receiving 100 kg of D.C.O. per day will use 100 to 50,000 kg of additives per day.
  • the invention also applies to a process in which the water to be purified is waste water and is subjected to a primary separation operation in a primary clarifier, with decantation, and without treatment in biological basins.
  • the mineral additive is added before or during the primary separation operation, so that the daily mass of the added mineral additive is equal to 0.1 to 10 times the daily mass of the pollutant load contained in water.
  • a mineral additive is used which advantageously has a residual turbidity in water generally less than 200 NTU and a falling speed of between 0.03 and 35 m / h.
  • the method thus makes it possible to improve the flocculation of the colloidal particles and of the particles in suspension present in the primary clarifier. This results in particular in the following advantages:
  • the mineral additive is then introduced, either into the primary clarifier or upstream of it, to improve the performance of the yield, sedimentation, sludge height and sludge thickening, the introduction of the additive being made by direct route in the form of powder, granules or suspension.
  • the invention also applies to a process in which the water to be purified is water to be made potable and is subjected to a primary separation operation by flotation.
  • the mineral additive is added before the primary separation operation, so that the daily mass of the added mineral additive is equal to 1 to 100 times the daily mass of the pollutant load contained in the water.
  • the mineral additive has a residual turbidity in water generally less than 250 NTU and a falling speed less than 5 m / h.
  • the invention also applies to a process in which the water to be purified is waste water and is subjected to a primary separation operation in a primary clarifier, with decantation and before treatment in biological basins.
  • the mineral additive is added before or during the primary separation operation, so that the daily mass of the added mineral additive is equal to 0.1 to 10 times the daily mass of the pollutant load contained in water.
  • the mineral additive has a residual turbidity in water generally less than 300 NTU and a falling speed of between 0.01 and 35 m / h.
  • the invention applies to a process in which the water to be purified is waste water and is subjected to an operation of primary separation by flotation before treatment in biological basins.
  • the mineral additive is added before the primary separation operation, so that the daily mass of the added mineral additive is equal to 0.1 to 10 times the daily mass of the pollutant load contained in the water.
  • a mineral additive having a residual turbidity in water generally less than 300 NTU and a falling speed less than 5 m / h.
  • the water to be purified is waste water and is subjected to a primary separation operation by flotation before treatment in biological basins
  • an excess of mineral additive relative to the pollutant load contained in the incoming water.
  • the process leaves part of the mineral additive in suspension in the water, entering the biological basins where it will react with the flocks of microorganisms ensuring optimization of the use of addi ⁇ mineral mineral in the two stages of water treatment, namely the primary separation and the bio-flocculation of microorganism flocs.
  • the invention also applies to a purification process in which the water to be purified is subjected to a biological activation operation in at least one biological basin in the presence of a biomass composed of purifying microorganisms and a secondary separation operation in a secondary clarifier with subsequent separation of purified water and activated sludge.
  • the mineral additive is added before or during the secondary separation operation, with a chosen quantity of mineral additive as a function of the biomass concentration at any time, the quantity of added mineral additive representing from 10 to 300% by weight of the biomass in the aeration tank.
  • the mineral additive advantageously has a residual turbidity in water generally less than 300 NTU and a falling speed less than 35 m / h.
  • the mineral additive can be added in the different biological basins or between the primary clarifier and these, preferably in the aeration tank.
  • the mineral additive is introduced directly in the form of powder, granules or suspensions.
  • the mineral additive can also be introduced into the secondary clarifier in the event of very poor settling or to reduce the height of the sludge bed.
  • the mineral additive can, as a variant, be introduced into excess sludge before recirculation and / or thickening and dewatering.
  • the amount of mineral additive added is determined according to the biomass (mass of microorganisms present), the nature and size of the equipment, as well as the type of operation. low, medium or high load units.
  • the quantity of mineral additive to be added to the biological tank represents from 10 to 300% by weight of the concentration of the biomass in the aeration tank.
  • the quantity of mineral additive necessary to obtain the desired performance is added.
  • an additional mineral additive is added, either continuously by slaving or discontinuously, depending on the amount of active biomass present at all times, or alternatively as a replacement for the amount of mineral additive in excess biomass, extracted as sludge from the secondary clarifier.
  • the mineral additive of the invention makes it possible to improve the bio-flocculation of the flocs of microorganisms.
  • the mineral additive of the invention which is fine, inert, non-adsorbent and non-polluting, makes it possible to modify the size, the volume and the weight of the flocs of microorganisms in order to adapt them to the problems encountered by the operators of stations. of purification, and this without creating additional constraints.
  • the mineral additive must be, inter alia, characterized by its rate of fall and its residual turbidity in water to be compatible with the size of the microorganisms and the rate of fall of the flocs of microorganisms, in order to optimize the bio-flocculation and avoid any solid deposit in the water purification units.
  • the mineral additive is determined by its specific chemical composition, structure and surface to bind preferentially to microorganisms and flocs of microorganisms in order to optimize bio-flocculation and avoid absorption. or the adsorption of impurities present in the water to be treated.
  • the mineral additive is characterized, among other things, by its rate of fall, its chemical composition and its structure, in order to bind to microorganisms and form large diffuse flocs capable of being floated.
  • a cationized additive with a short chain, that is to say the carbon chain of which is less than 25 atoms.
  • the concentration of this additive must remain below 5% by weight of the mineral additive.
  • the invention is compatible with the use of other additives already known for their specific actions on toxic pollution or on soluble pollution that is not degradable by the usual biological purification processes.
  • the additional additive can in particular be an activated or activated carbon, a zeolite, lignite, bentonite, and the like.
  • the improvement in the separation between the soluble phase and the colloids or particles in suspension, obtained according to the invention, makes it possible to improve the specific action of these complementary additives. This results in greater efficiency of these additives for adsorbing toxic cations, dyes, etc. on the soluble fraction to be purified.
  • the method of the invention makes it possible to improve the performance of water treatment installations. It leads to a standardization of the physico-chemical properties of the flocs, allowing a reliable separation of the purified water from the sludge and avoiding the displacement of the problem of pollution of the water to the sludge, whose management is increasingly difficult .
  • this liquid can be found either in the outlet effluent, either at the head of the station or in the aeration tank;
  • the method according to the invention makes it possible to make so-called "high and medium load” water treatment systems reliable by reducing the mass load with, if necessary, external carbon and nitrogen (N-NH4) input.
  • the mineral additive of the invention also allows the following performances:
  • the process of the invention appears particularly advantageous because it makes it possible, by a judicious choice of the mineral additive, to improve the performance of primary clarifiers without chemical additive, mainly in the case of lamellar clarifiers where it can make it possible to double the speed of reduction (reduction) of pollution.
  • the method of the invention also makes it possible, always by the judicious choice of the mineral additive, to control the size, the volume or the weight of the flocs of microorganisms in a predictable manner with unique performances for the treatment of 'water.
  • the method makes it possible, by complementary or successive additions, to flocculate the microorganisms first with an appropriate mineral additive, then to increase their density by adding a second suitable mineral additive.
  • the process of the invention brings into contact fine mineral additives whose sedimentation is weak, or even zero, with flocs of microorganisms (or colloidal suspensions) whose sedimentation is difficult. even impossible, to produce clear and limpid purified water (or to increase the speed of abatement of pollutants).
  • the process makes it possible to sediment a weakly decantable product by adding a weakly decantable additive.
  • the performances are also unexpected because the addition of the mineral additive makes it possible to produce flocs whose buoyancy performances by assisted flotation or mechanical flotation are superior to those of the unweighted flocs.
  • the fine, non-adsorbent mineral additive of the invention has, in pure water, residual turbidities incompatible with the standards required for discharges at the outlet of water treatment stations.
  • the mineral additive makes it possible to produce purified water whose turbidity is lower than that measured in the secondary decanter in the presence of flocs of microorganisms alone, therefore in the absence of the mineral additive.
  • the process of the invention may include, in certain cases, an operation of partial or total recycling of the mineral additive.
  • the recycling of the mineral additive is carried out using hydrocyclones, centrifuges, or other separation devices commonly used for the separation of solids and liquids in industry.
  • the invention also relates to the mineral additive used for carrying out the process.
  • FIG. 1 shows the diagram of a water purification installation comprising a primary separation, with biological basins, a secondary separation and a sludge thickener which allows the implementation of the process of the invention
  • FIG. 2 shows the diagram of a water purification installation by lamellar settling which allows the implementation of the method of the invention.
  • the water to be purified E passes successively through a screening device 1 and through a desanding device 2 before reaching a decanter or primary clarifier 3 in which decanted water forms 4 located between a layer of supernatant grease 5 and a layer of mud 6 at the bottom of the decanter.
  • the decanted water 4 is drawn off and sent, via a line 7, successively to a first biological tank 8 (optional), called “anoxic tank”, a second biological tank 9 (optional), called “anaerobic tank” and a third biological basin 10 operating in aerobic mode.
  • the basin 10 is aerated by means of a stirring device 11.
  • the water to be purified is placed in the presence of a biomass composed of appropriate micro-organisms playing a purifying role.
  • the water is then sent to a secondary decanter 12 which makes it possible to separate the water 13 from activated sludge 14, which is, at least in part, recycled in the biological basins through a line 15.
  • the sludge is collected at the base of the primary settling tank 3 by a line 16 and at the base of the secondary settling tank 12 by a line 17 to be sent to a treatment line making it possible to possibly reduce the putrescible power of the sludge via a digester 18 (optional).
  • the sludge can be sent through a line 19 to a device 20 used for dewatering the sludge (possibly after a thickener).
  • the role of this device is to dewater the sludge mechanically, for example by centrifugation or by pressing.
  • the sludge dices tees are sent either to the landfill or to the incinerator.
  • the mineral additive A can be added to the primary clarifier 3 or upstream of it, in one of the biological tanks 8, 9, 10, preferably in the aeration tank 10, or in the secondary clarifier 12.
  • the additive can also be introduced into the excess sludge before thickening and dewatering before line 19 and the device 20.
  • FIG. 2 allows the implementation of a process with lamel ⁇ milk settling tank and column in contact with sludge, the process also applying to lamellar settling tanks with direct counter-current, co-current and cross-current.
  • the water to be purified E is brought into contact with an additive A previously suspended in a stirred tank 21, before being injected, via a pump 22, at an entry point 23 located at the base of a flocculation column 25 (also called sludge column).
  • the water to be purified crosses, from bottom to top, the column of sludge 25 to penetrate into a decanter 26 and come into contact with the lamellae 27 thereof.
  • the purified water leaves the decanter 26 through an outlet S arranged at its upper part.
  • the accumulated sludge is drawn off from pour points 24 provided in column 25 and the settling tank 26.
  • This example shows the increase in efficiency of a lamellar settling tank with sludge contact column, by introduction of a mineral additive. It is implemented in a laboratory pilot having the following characteristics:
  • Lamellar settling tank Lamellar settling tank
  • the example refers to wastewater of municipal origin characterized by its Chemical Oxygen Demand (D.C.O.), its Suspended Matter (M.E.S.) and its Turbidity expressed in F.T.U. (Formazine Turbidity Unit). This last characteristic is measured by absorption of light through the sample to be tested with reference to formazine standards.
  • D.C.O. Chemical Oxygen Demand
  • M.E.S. Suspended Matter
  • F.T.U. Force Turbidity Unit
  • the effectiveness of the purification device is essentially measured by the reduction of turbidity continuously on incoming water and decanted water.
  • the amount of mineral additive added was adjusted to 0.5 times and 0.7 times the incoming suspended matter (M.E.S.) respectively for a D.C.O. 600 mg / 1.
  • the efficiency of the lamellar settling tank without additive was determined according to the initial turbidity, because this device is quickly at the limit of efficiency when it is less than 350 F.T.U.
  • the additive makes it possible to maintain an efficiency of the order of 45% by treating 60% more water.
  • This example deals with the characterization of the bio-flocculation of microorganism flocs by the use of a mineral additive. This property is obtained in the laboratory after the mineral additive has been brought into contact with microorganisms for 3 minutes with rapid stirring (100 rpm), then 10 minutes with slower stirring (60 rpm) in cylindrical reactors, followed by non-agitated decantation for 30 minutes.
  • the observation is carried out under an optical microscope for measuring the diameter of the flocs of microorganisms and the decantation is determined by the mud index.
  • the mineral additive concentration is 100% by weight of the biomass with which it is contacted.
  • the additives in this example have the following characteristics:
  • the additives By acting on the flocculation of microorganisms, the additives improve the sedimentation of these microorganisms (measured by the mud index), which was expected with regard to the information previously known.
  • the mineral additive also modifies the size of these microorganism flocs to create very large, diffuse and stable flocs with flotation properties using air bubbles, far superior to microorganism flocs. not modified.
  • the sludge introduced into a flotation cell shows an increase of 50% and 30% respectively for the additives A and B.
  • the additive C mainly favors sedimentation.
  • Biomass of Additive A Additive B Additive C reference 100% of the 100% of the 100% of the biomass biomass biomass

Landscapes

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  • Separation Of Suspended Particles By Flocculating Agents (AREA)
  • Activated Sludge Processes (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé d'épuration d'une eau contenant une charge polluante, dans lequel l'eau à épurer est soumise à au moins une opération de traitement, notamment par décantation et/ou activation biologique, avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues éventuellement activées. On ajoute à l'eau à traiter au moins un additif minéral répondant aux propriétés suivantes: non-adsorption et inertie chimique à l'égard de la charge polluante présente dans l'eau à épurer, insolubilité ou faible solubilité, inférieure à 5 %, dans l'eau dans les conditions habituelles de pH rencontrées lors du traitement, surface spécifique supérieure à 0,4 m2/g (méthode BET), microporosité inférieure à 0,1 cm3/g, turbidité résiduelle inférieure à 300 NTU et vitesse de chute inférieure à 35 m/h. Application à l'épuration d'eaux usées d'origine industrielle ou communale et à la production d'eau potable.

Description

Procédé d'épuration d'une eau contenant une charge polluante, et additif pour la mise en oeuyre du procédé
L'invention concerne un procédé d'épuration d'une eau contenant une charge polluante, ainsi qu'un additif pour la mise en oeuvre du procédé.
Les études et expériences ayant permis l'obtention des résultats de l'invention ont été réalisées grâce à la collaboration de l'équipe de Monsieur Jean CANTET de l'Uni¬ versité de Recherche des Procédés Biologiques à l'INSA de Toulouse et grâce à la collaboration de l'Equipe de Monsieur Alain GRASMICK du Département des Sciences et Technologies de l'Eau de l'Institut des Sciences de l'Ingénieur de Montpel¬ lier.
L'invention s'applique de façon générale à l'épuration et à la purification des eaux à l'aide d'unités de traitement fonctionnant par voie chimique, par voie physico-chimique, ou encore par voie biologique.
Le terme "eau" entend désigner présentement, soit une eau usée d'origine industrielle ou communale, soit une eau à potabiliser.
Le terme "épuration" entend désigner aussi bien une épuration d'eaux usées, qu'une épuration en vue d'obtenir une eau potable.
L'expression "charge polluante" entend désigner présentement tous les composés de toutes natures chimiques, organiques ou inorganiques rendant soit une eau usée impropre à la vie piscicole (donc son rejet en rivière), soit une eau à potabi¬ liser impropre à la consommation. Cette charge polluante est exprimée par son flux à l'entrée de l'unité d'épuration, c'est-à-dire la masse rapportée à l'unité de temps, qu'elle décrive une pollution carbonée (DCO ou DBO), une pollution particulaire (MES), une pollution azotée (N-NH4, N-NO3, N total) ou une pollution phosphorée (P-PO4, P total).
DCO désigne la demande chimique en oxygène, exprimée en mg/litre d'équivalents du dioxygène.
DBO désigne la demande biologique en oxygène exprimée en mg/litre d'équivalents du dioxygène.
MES désigne les Matières en Suspension exprimées en mg/litre.
N-NH4 désigne la teneur en azote ammoniacal exprimée en mg/litre.
N-NO3 désigne la teneur en azote nitrique exprimée en mg/litre.
N total désigne la teneur totale en azote exprimée en mg/litre.
P-PO4 désigne la teneur en phosphore des orthophosphates exprimée en mg/litre.
P total désigne la teneur totale en phosphore exprimée en mg/litre.
Lors de leur épuration, les eaux sont habituellement soumises à une opération préalable, dite "de prétraitement", par dégrillage et/ou dessablage et/ou dilacération. Cette opération a pour but d'éliminer les particules solides de toutes tailles et de toutes natures, qui sont porteuses de pollutions et créatrices de dépôts ou de pannes mécaniques dans les installations ultérieures de traitement.
Lorsqu'il s'agit d'une eau à potabiliser, cette dernière est d'abord dégrillée et dessablée et peut ensuite subir diffé¬ rents traitements complémentaires par décantation simple ou accélérée en présence ou non d'additifs chimiques, par filtration sur lit gravitaire ou sur support, ou par flotta- tion à l'aide de bulles d'air.
Ensuite, l'eau à potabiliser est soumise à des traitements spécifiques d'élimination de polluants par passage sur résines, sur charbon actif ou encore par ultra-filtration, nano-filtration, chloration, ozonation, nitrification et dénitrification, etc.
Après dégrillage et dessablage, les eaux usées peuvent subir des traitements complémentaires par décantation simple ou accélérée avec ou sans ajout d'additifs chimiques, par filtration, par flottation à l'aide de bulles de gaz (généra¬ lement de l'air), avant d'être envoyées dans des bassins biologiques. En variante, ces eaux usées peuvent être envoyées directement vers ces bassins biologiques après le dessablage.
Dans les bassins biologiques, encore appelés "bassins d'activation", les eaux à épurer sont soumises à une dégra¬ dation biologique en présence d'une biomasse composée de micro-organismes épurateurs, c'est-à-dire de bactéries.
Pour le traitement des eaux usées, la dégradation biologique est réalisée par des bactéries de diverses natures dans le but d'éliminer la pollution carbonée et/ou azotée et/ou phosphorée, cette dégradation s'effectuant dans un ou plusieurs bassins biologiques subissant des phases d'aérobio- se, d'anoxique et d'anaérobiose. Les micro-organismes ou bactéries s'agglomèrent généralement pour former des flocs qui sont séparés des eaux épurées par différence de densité avec l'eau traitée ou par exclusion de taille dans un "clarificateur secondaire". On entend par "clarificateur secondaire" un appareil où s'effectue une séparation par flottation, par décantation, par hydrocyclonage, par centri- fugation ou par filtration. L'eau épurée peut alors être directement rejetée à la rivière, tandis que les flocs épaissis appelés "boues", recueillis dans le clarificateur secondaire sont partiellement recyclés vers les bassins biologiques afin d'y maintenir un nombre élevé de micro¬ organismes épurateurs et entretenir l'activation biologique, l'autre partie étant un déchet à traiter.
Dans tous les types de traitements, l'eau à épurer est soumise à au moins une opération particulière, notamment par décantation et/ou activation biologique, avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues éventuellement activées.
Quelle que soit l'eau traitée, les boues ultimes issues des différentes opérations de décantation sont soutirées, épaissies, puis conditionnées afin de réduire leur volume et leur masse pour une utilisation agricole par épandage, un dépôt en décharge ou une incinération.
Les exploitants des stations d'épuration d'eau sont confron¬ tés à différents problèmes, dont les plus importants sont les suivants :
- épuration incomplète due à un mauvais dimensionnement des équipements vis-à-vis des pollutions à traiter;
- pollution particulière ne pouvant pas être traitée par les procédés biologiques connus;
- dans le cas d'un procédé biologique, mauvaise floculation des micro-organismes rendant la séparation difficile, aléatoire, voire impossible dans le clarificateur secondaire; et
- dans le cas d'une eau à potabiliser, mauvaise décantation des particules colloïdales en suspension.
Pour résoudre ces problèmes, les exploitants de stations d'épuration doivent augmenter la dimension de leurs unités de traitement, modifier profondément les installations existan¬ tes, ou recourir à des additifs de coagulation et/ou de floculation chimique et à des produits solides à forte capacité d'adsorption ou d'absorption de polluants.
Ces solutions ont pour inconvénient, d'une part, d'introduire des pollutions supplémentaires, souvent nocives aux micro¬ organismes dans le cas des additifs chimiques et, d'autre part, d'entraîner une circulation permanente de produits fortement adsorbés ou absorbés par des polluants.
On connaît, d'après HAMODA et FAHAIM, Environmental Pollution (Séries A) 36(1984) 283-294, un procédé d'épuration d'eaux usées qui comprend l'addition de charbon activé ou de kaolin comme adsorbant de pollution carbonée, dans un bassin biologique.
Il s'agit toutefois d'un procédé expérimental, inadapté à l'échelon industriel, car le minéral utilisé laisse une eau épurée trouble, non compatible avec le rejet en rivière.
De plus, dans le cas particulier décrit, une partie de la pollution est transférée de l'eau aux boues, n'améliorant pas la qualité épuratoire du système biologique.
Les auteurs ont par ailleurs remarqué une faible augmentation de la vitesse de sédimentation, de 20%, généralement observée lors de l'addition de minéraux denses qui compriment, par simple effet piston, les flocs de micro-organismes présents.
On connaît aussi, d'après la Demande PCT WO 94 20425, un procédé d'épuration d'eaux usées du type à boues activées permettant d'accroître les rendements d'épuration.
Il s'agit d'un procédé utilisant des bassins biologiques ou bassins d'activation, dans lequel les eaux usées sont mises en contact avec une biomasse et avec une poudre hydrophobe de talc, de pyrophyllite ou de mica, pour lester les flocs de micro-organismes. Ce procédé n'est applicable que dans le cas de flocs présen¬ tant des sites hydrophobes et les auteurs n'ont pas pu étendre la Demande de brevet à la séparation physico-chimique des particules solides ou colloïdales qui présentent des caractéristiques essentiellement hydrophiles.
L'ajout d'argile dans des bassins biologiques d'épuration d'eaux est connu d'après CHUDOBA et PANNIER, Environmental Technology, 1994, Vol. 15, pages 863-870, pour parfois améliorer le traitement des eaux usées.
Les auteurs constatent une réduction du volume de boues de 30% qui, comme dans le cas de la publication de HAMODA et FAHAIM, est due à un effet piston d'autant plus important que les particules d'argile utilisées sont de tailles et de poids importants.
Les particules de 100 à 200 micromètres utilisées sédimentent très rapidement au fond des bassins, nécessitant des instal- lations lourdes et spécifiques de recirculation pour éviter la formation d'un dépôt compact et dense. Ce problème est particulièrement dommageable dans les installations brassées et aérées par diffusion gazeuse en fond de bassin.
On connaît également, d'après la publication de Brevet japonais JP-A-4 253 793 du 24 août 1992 au nom de SHIKOKU KASEI KOGYO, l'utilisation de gel et de poly-électrolyte pour agglomérer des flocs de micro-organismes. Les auteurs préconisent de lester ce gel synthétique préformé par des argiles. Dans cet article, les auteurs ne préjugent pas de l'effet spécifique des additifs minéraux.
On connaît aussi, d'après EP-A-0 383 674, un procédé de traitement biologique d'une eau résiduaire, qui utilise un matériau granulaire à des taux d'emploi et à des concentra¬ tions massiques très élevés. Ce procédé nécessite donc de grandes quantités d'additifs, ce qui pose des problèmes de recyclage. Enfin, on connaît le procédé dit "ACTIFLO" (Marque enregis¬ trée), développé par la société OTV qui, dans des bassins primaires, combine l'addition de microsables à des coagulants et des floculants chimiques pour alourdir des particules colloïdales.
Ce procédé est similaire au procédé japonais décrit précé¬ demment mais s'adresse plus particulièrement à la décantation primaire des charges solides et colloïdales. Il associe des couples d'agents chimiques coagulants et floculants à des charges lestantes à particules grossières. Ce procédé est limité au traitement des eaux très diluées.
Les deux derniers procédés décrits nécessitent d'importantes quantités d'additifs chimiques.
L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé¬ nients des procédés d'épuration connus.
C'est encore un but de l'invention de procurer un tel procédé d'épuration qui permette d'améliorer la performance épura- toire des unités de traitement d'eaux usées, fonctionnant par voie chimique, par voie physico-chimique, par voie biologi¬ que, sans induire de pollutions supplémentaires ou recirculer à l'intérieur des bassins biologiques, des pollutions adsorbées.
L'invention propose à cet effet un procédé d'épuration d'une eau contenant une charge polluante, dans lequel l'eau à épurer est soumise à au moins une opération de traitement, notamment par décantation et/ou activation biologique, avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues éventuel¬ lement activées.
Conformément à l'invention, on ajoute à l'eau usée à traiter au moins un additif minéral sous forme de poudre, de granulés ou de suspension, et répondant aux propriétés suivantes : non-adsorption (comme définie plus loin) et inertie chimique à l'égard de la charge polluante présente dans l'eau à épurer;
- insolubilité ou faible solubilité, inférieure à 5%, dans l'eau, dans les conditions habituelles de pH (pH5 à pH9) rencontrées lors du traitement;
- surface spécifique supérieure à 0,4 m2/g (méthode BET);
- microporosité inférieure à 0,1 cm3/g;
- turbidité résiduelle inférieure à 300 NTU, comme mesurée dans une solution d'eau pure à 3g/l après 30 minutes de décantation; et
- vitesse de chute inférieure à 35 m/h.
La capacité d'adsorption, par l'additif minéral, de la charge polluante est calculée, d'une part, en mesurant la différence de D.C.O. soluble entre l'eau brute à traiter et cette même eau après 5 h de contact avec 1 g d'additif. Cette différence de D.C.O. soluble doit être inférieure à 60 mg/g d'additif, pour qualifier ce produit de non-adsorbant.
D'autre part, la capacité d'adsorption d'azote N-NH4 est déterminée de la même façon. Cette capacité d'adsorption doit être inférieure à 10 mg par gramme d'additif.
La méthode BET désigne une méthode par mesure d'isotherme d'adsorption de gaz selon BRUNAUER, EMMET et TELLER, le gaz utilisé étant l'argon.
La microporosité est déterminée par mesure d'isotherme d'adsorption-désorption de gaz selon BET, le gaz utilisé étant l'azote.
La vitesse de chute est mesurée, lorsque la décantation s'effectue en régime laminaire, à l'aide d'un appareil dit "Sédigraph" de la société MICROMERETICS, et, lorsque la décantation s'effectue en régime non-laminaire, à l'aide d'une colonne d'eau d'un mètre. La vitesse de chute caracté¬ rise la sédimentation de 95% de l'additif. La mesure avec l'appareil "Sédigraph" s'effectue dans une cellule de sédimentation de 4 cm de hauteur. Le calcul s'effectue par le suivi de la concentration en fonction du temps par lecture de la densité optique.
NTU est l'abréviation de Nephelometric Turbidity Unit (voir ASTM 1880-81).
Ainsi, l'invention repose sur l'ajout d'au moins un additif minéral spécifique de caractéristiques physico-chimiques prédéterminées, qui permet de modifier la floculation des particules et/ou colloïdes en suspension, ainsi que la bio¬ floculation des micro-organismes, pour améliorer la perfor¬ mance épuratoire des unités de traitement des eaux.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'additif minéral est un produit naturel ou synthétique choisi parmi l'une au moins des familles chimiques formées par les silicates, les aluminates, les carbonates, les sulfates et les verres insolubles ou faiblement solubles aux conditions habituelles de pH décrites précédemment.
L'additif minéral peut être synthétisé par différentes voies pour obtenir des caractéristiques physico-chimiques particu¬ lières, telles que surface spécifique ou vitesse de chute.
L'additif minéral peut être obtenu naturellement ou bien être broyé avant d'être choisi (passage au sélecteur) pour obtenir des propriétés physico-chimiques spécifiques telles que porosité, turbidité ou vitesse de chute.
L'additif minéral est choisi de préférence parmi l'une des familles chimiques suivantes, données à titre non limitatif et caractérisées par tous les critères précédemment décrits : - aluminosilicates,
- aluminate de magnésium,
- carbonate de calcium hydraté,
- carbonate double de calcium et de magnésium hydraté,
- carbonate de calcium amorphe ou cristallisé,
- silicate de magnésium hydraté,
- silicate d'aluminium hydraté,
- silicate double de magnésium et d'aluminium hydraté,
- sulfate de calcium hydraté.
Avantageusement, l'additif minéral est choisi parmi l'un au moins des groupes de produits suivants, donnés à titre non limitatif :
feldspath, wollastonite, cristobalite, quartz, néphéline, micas, muscovite, chlorites, talc, sépiolite, serpentine, calcite, dolomie, giobertites, aragonite, gypse, kiésérite, kaolinites, pyrophyllite, olivine, andalousite, basalte ou encore des alluvions. Un exemple particulier selon l'inven¬ tion consiste à utiliser tout ou partie des résidus solides de stations d'épuration, lorsque ces résidus contiennent des quantités importantes d'un ou plusieurs additifs cités précédemment.
Une synergie importante est obtenue lorsque l'additif minéral utilisé dans le procédé de l'invention provient de mélanges de familles des minéraux décrits précédemment, que ce mélange soit préparé à l'avance ou qu'il soit réalisé sur site par additions successives et alternées de différents types de minérau . L'invention s'applique notamment à un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau à potabiliser et est soumise à une opération de séparation primaire dans un clarificateur primaire, avec décantation.
On ajoute alors l'additif minéral selon l'invention avant ou pendant l'opération de séparation primaire, de telle sorte que la masse journalière (encore appelée "masse quotidienne") de l'additif minéral ajouté soit égale à 1 à 500 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau. Ainsi, une station de potabilisation recevant 100 kg de D.C.O. par jour utilisera de 100 à 50 000 kg d'additifs par jour.
L'invention s'applique également à un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opéra¬ tion de séparation primaire dans un clarificateur primaire, avec décantation, et sans traitement dans des bassins biologiques.
Selon l'invention, on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation primaire, de telle sorte que la masse journalière de l'additif minéral ajouté soit égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
Dans les deux procédés précités, on utilise un additif minéral qui possède avantageusement une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 200 NTU et une vitesse de chute comprise entre 0,03 et 35 m/h.
Le procédé permet ainsi d'améliorer la floculation des particules colloïdales et des particules en suspension présentes dans le clarificateur primaire. Il en résulte notamment les avantages suivants :
- amélioration des vitesses de décantation dans le clarifica¬ teur primaire, qu'il soit simple ou accéléré (cas des clarificateurs primaires); - augmentation de l'abattement (diminution) de pollution dans le clarificateur primaire, qu'il soit simple ou accéléré; et
- réduction, voire élimination, de la quantité d'additif chimique, à savoir sels de fer ou d'aluminium et polymères cationiques à base d'acrylamine, d'acrylamide ou d'épichlor- hydrine.
L'additif minéral est alors introduit, soit dans le clarifi- cateur primaire, soit en amont de celui-ci, pour en améliorer les performances de rendement, de sédimentation, de hauteur de boues et d'épaississements des boues, l'introduction de l'additif se faisant par voie directe sous forme de poudre, de granulés ou de suspension.
L'invention s'applique également à un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau à potabiliser et est soumise à une opération de séparation primaire par flottation. Conformément à l'invention, on ajoute l'additif minéral avant l'opération de séparation primaire, de telle sorte que la masse journa¬ lière de l'additif minéral ajouté soit égale à 1 à 100 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans 1'eau.
De préférence, l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 250 NTU et une vitesse de chute inférieure à 5 m/h.
L'invention s'applique également à un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opéra¬ tion de séparation primaire dans un clarificateur primaire, avec décantation et avant traitement dans des bassins biologiques. Selon l'invention, on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation primaire, de telle sorte que la masse journalière de l'additif minéral ajouté soit égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau. De préférence, l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute comprise entre 0,01 et 35 m/h.
Egalement, l'invention s'applique à un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opéra¬ tion de séparation primaire par flottation avant traitement dans des bassins biologiques. Selon l'invention, on ajoute l'additif minéral avant l'opération de séparation primaire, de telle sorte que la masse journalière de l'additif minéral ajouté soit égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
Dans ce cas, on préfère utiliser un additif minéral possédant une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute inférieure à 5 m/h.
Dans le cas d'un procédé dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opération de séparation primaire par flottation avant traitement dans des bassins biologiques, il est possible d'utiliser un excès d'additif minéral par rapport à la charge polluante contenue dans l'eau entrante. En effet, le procédé laisse une partie de l'additif minéral en suspension dans l'eau, pénétrer dans les bassins biologiques où celui-ci réagira avec les flocs de micro-orga¬ nismes assurant une optimisation de l'utilisation de l'addi¬ tif minéral dans les deux étapes de traitement de l'eau, à savoir la séparation primaire et la bio-floculation des flocs de micro-organismes.
L'invention s'applique également à un procédé d'épuration dans lequel l'eau à épurer est soumise à une opération d'activation biologique dans au moins un bassin biologique en présence d'une biomasse composée de micro-organismes épura- teurs et à une opération de séparation secondaire dans un clarificateur secondaire avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues activées. Selon l'invention, on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation secondaire, avec une quantité choisie d'additif minéral en fonction de la concen¬ tration de biomasse à tout instant, la quantité d'additif minéral ajouté représentant de 10 à 300% en poids de la biomasse dans le bassin d'aération.
Dans un tel procédé, l'additif minéral possède avantageuse¬ ment une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute inférieure à 35 m/h.
L'additif minéral peut être ajouté dans les différents bassins biologiques ou bien entre le clarificateur primaire et ceux-ci, de préférence dans le bassin d'aération.
Comme dans la variante précédente, l'additif minéral est introduit directement sous forme de poudre, de granulés ou de suspensions.
L'additif minéral peut être également introduit dans le clarificateur secondaire en cas de très mauvaise décantation ou pour réduire la hauteur du lit de boues.
L'additif minéral peut être, en variante, introduit dans les boues en excès avant recirculation et/ou épaississement et déshydratation.
Pour l'amélioration des rendements des bassins biologiques, la quantité de l'additif minéral ajouté est déterminée en fonction de la biomasse (masse de micro-organismes présents), de la nature et de la taille des équipements, ainsi que du type de fonctionnement des unités en faible, moyenne ou forte charge.
Comme déjà indiqué, la quantité d'additif minéral à ajouter dans le bassin biologique représente de 10 à 300% en poids de la concentration de la biomasse dans le bassin d'aération. Au départ, on ajoute la quantité d'additif minéral nécessaire pour l'obtention des performances souhaitées. Ensuite, on effectue un ajout supplémentaire d'additif minéral, soit de manière continue par asservissement, soit de manière discon- tinue, en fonction de la quantité de biomasse active présente à tout instant, ou bien en remplacement de la quantité d'additif minéral dans la biomasse en excès, extraite sous forme de boues du clarificateur secondaire.
Ainsi, dans le cas particulier des procédés d'épuration à boues activées, l'additif minéral de l'invention permet d'améliorer la bio-floculation des flocs de micro-organismes.
L'additif minéral de l'invention, qui est fin, inerte, non adsorbant et non polluant, permet de modifier la taille, le volume et le poids des flocs de micro-organismes afin de les adapter aux problèmes rencontrés par les exploitants de stations d'épuration, et cela sans créer de contraintes supplémentaires.
L'additif minéral doit être, entre autres, caractérisé par sa vitesse de chute et sa turbidité résiduelle dans l'eau pour être compatible avec la taille des micro-organismes et la vitesse de chute des flocs de micro-organismes, en vue d'optimiser la bio-floculation et d'éviter tout dépôt solide dans les unités d'épuration d'eau.
Egalement, l'additif minéral est déterminé par sa composition chimique, sa structure et sa surface spécifiques pour se lier préférentiellement aux micro-organismes et aux flocs de micro-organismes en vue d'optimiser la bio-floculation et d'éviter l'absorption ou l'adsorption des impuretés présentes dans l'eau à traiter.
C'est ainsi que l'additif minéral est caractérisé entre autres par sa vitesse de chute, sa composition chimique et sa structure, pour se lier aux micro-organismes et former de grands flocs diffus susceptibles d'être flottés. Dans certains cas, il peut être avantageux d'ajouter, à l'additif minéral, un additif cationisé à chaîne courte, c'est-à-dire dont la chaîne carbonée est inférieure à 25 atomes. La concentration de cet additif doit rester inférieure à 5% en poids de l'additif minéral.
L'invention est compatible avec l'utilisation d'autres additifs déjà connus pour leurs actions spécifiques sur les pollutions toxiques ou sur les pollution solubles non degradables par les procédés d'épuration biologique habi¬ tuels. L'additif complémentaire peut être notamment un charbon actif ou activé, une zéolite, de la lignite, de la bentonite, et analogues.
L'amélioration de la séparation entre la phase soluble et les colloïdes ou particules en suspension, obtenue selon l'inven¬ tion, permet d'améliorer l'action spécifique de ces additifs complémentaires. Il en résulte une plus grande efficacité de ces additifs pour adsorber, sur la fraction soluble à épurer, des cations toxiques, des colorants, etc.
Le procédé de l'invention permet d'améliorer la performance des installations de traitement de l'eau. Il conduit à une uniformisation des propriétés physico-chimiques des flocs, permettant une séparation fiable de l'eau épurée par rapport aux boues et évitant le déplacement du problème de pollution de l'eau aux boues, dont la gestion est de plus en plus difficile.
En améliorant la bio-floculation des flocs de micro-organis¬ mes, on obtient les performances suivantes :
- réduction du volume de boues dans le clarificateur secon¬ daire;
- réduction de la taille du clarificateur secondaire pour une masse de micro-organismes donnée; - augmentation du volume d'eau décantable pour un clarifica¬ teur secondaire de dimensions données;
- réduction des pertes de micro-organismes filamenteux non décantables, à structure compacte ou ouverte, dans les conditions habituelles;
- réduction des pertes de micro-organismes non floculés ou defloculés et donc non décantables dans les conditions habituelles;
- réduction des phénomènes de moussage dus à la présence de micro-organismes en surface des clarificateurs secondaires;
- augmentation des rendements d'épuration biologique, des pollutions carbonées et/ou azotées et/ou phosphorées;
- diminution de la taille des bassins de traitement biologi¬ que pour une quantité déterminée de pollution carbonée, azotée et/ou phosphorée;
- augmentation de la quantité de pollution carbonée et/ou azotée et/ou phosphorée traitée dans un bassin de dimensions données.
Par ailleurs, la présence d'une quantité prédéterminée d'additif minéral dans les boues issues du clarificateur primaire et/ou du clarificateur secondaire permet de conduire aux performances suivantes :
- amélioration des rendements d'épaississement des boues en excès par gravité;
- réduction des durées de séparation entre la biomasse et le liquide interstitiel, par sédimentation, ou épaississèment, ou flottation, afin d'éviter toute remise en solution ou transfert de pollution de la biomasse vers le liquide interstitiel, ce liquide pouvant se retrouver soit dans l'effluent de sortie, soit en tête de station ou dans le bassin d'aération;
- amélioration des rendements des équipements de déshydrata- tion des boues en excès;
- amélioration de la manipulation des boues en excès, épaissies ou déshydratées, par réduction de l'effet collant; et
- amélioration du comportement des boues en excès, épaissies et/ou déshydratées lors d'opérations de compactage ou de granulation.
Le procédé selon l'invention permet de fiabiliser les systèmes de traitement d'eau dits à "forte et moyenne charge" par la réduction de la charge massique avec, si nécessaire, apport de carbone et d'azote (N-NH4) externe.
Selon l'invention, il apparaît également possible de réaliser des opérations de séparation de flocs de micro-organismes par flottation et/ou sédimentation dans un décanteur secondaire adapté, ainsi que dans des installations de traitement des boues extraites, telles que des séparateurs à flottation, assistée ou non, et des silos d'épaississement.
L'additif minéral de l'invention permet en outre les perfor¬ mances suivantes :
- amélioration de la performance des additifs chimiques dits "coagulants" ou "floculants" (sels de fer, sels d'aluminium, polymères acryliques cationiques ou anioniques, polymères d'épichlorhydrine, etc.) dans les décanteurs secondaires par réduction du volume des boues produites et augmentation des vitesses de décantation;
- réduction, voire suppression, des additifs chimiques dits "coagulants" ou "floculants" lors des opérations de décanta¬ tion secondaires en présence de procédés lamellaires; - amélioration des rendements de séparation entre l'eau traitée et les micro-organismes floculés lors de l'utilisa¬ tion d'appareils dynamiques tels que des décanteurs lamellai¬ res, des hydrocyclônes, des centrifugeuses, etc.; et
- amélioration des rendements de séparation des procédés de filtration par lits gravitaires ou sur supports.
Le procédé de l'invention apparaît particulièrement avanta- geux car il permet, par un choix judicieux de l'additif minéral, d'améliorer les performances des clarificateurs primaires sans additif chimique, principalement dans le cas des clarificateurs lamellaires où il peut permettre de doubler la vitesse d'abattement (diminution) de la pollution.
Le procédé de l'invention permet également, toujours par le choix judicieux de l'additif minéral, de contrôler la taille, le volume ou le poids des flocs de micro-organismes d'une manière prévisible avec des performances uniques pour le traitement de l'eau. Le procédé permet, par des additions complémentaires ou successives, d'abord de floculer les micro-organismes par un additif minéral approprié, puis d'augmenter leur densité par l'ajout d'un second additif minéral adapté.
Il est important de signaler en outre que le procédé de l'invention est particulièrement spécifique, étant donné qu'il s'affranchit des volumes d'eau traités pour ne prendre en considération que les masses de micro-organismes présents dans les bassins biologiques ou les flux de pollution à l'entrée du clarificateur primaire.
Les performances obtenues par la mise en oeuvre du procédé de l'invention sont tout à fait inattendues.
En effet, le procédé de l'invention met en contact des additifs minéraux fins dont la sédimentation est faible, voire nulle, avec des flocs de micro-organismes (ou des suspensions colloïdales) dont la sédimentation est difficile. voire impossible, pour produire une eau épurée claire et limpide (ou augmenter les vitesses d'abattement de pol¬ luants). En d'autres termes, le procédé permet de faire sédimenter un produit faiblement décantable en ajoutant un additif faiblement décantable.
Les performances sont également inattendues du fait que l'ajout de l'additif minéral permet de produire des flocs dont les performances de flottabilité par flottation assistée ou flottation mécanique sont supérieures à celles des flocs non lestés.
Il est également surprenant que l'additif minéral fin et non adsorbant de l'invention présente, dans l'eau pure, des turbidités résiduelles incompatibles avec les normes exigées pour les rejets en sortie des stations de traitement de l'eau. Néanmoins, l'additif minéral permet de produire une eau épurée dont la turbidité est inférieure à celle mesurée dans le décanteur secondaire en présence de flocs de micro- organismes seuls, donc en l'absence de l'additif minéral.
Le procédé de l'invention peut comporter, dans certains cas, une opération de recyclage partiel ou total de l'additif minéral.
Le recyclage de l'additif minéral est effectué en utilisant des hydrocyclônes, des centrifugeuses, ou autres appareils de séparation couramment employés pour la séparation de solides et de liquides dans l'industrie.
Sous un autre aspect, l'invention concerne aussi l'additif minéral servant à la mise en oeuvre du procédé.
On se réfère maintenant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente le schéma d'une installation d'épuration d'eau comprenant une séparation primaire, avec des bassins biologiques, une séparation secondaire et un épaississeur de boues qui permet la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; et
- la figure 2 représente le schéma d'une installation d'épuration d'eau par décantation lamellaire qui permet la mise en oeuvre du procédé de l'invention.
En référence à l'installation de la figure 1, l'eau à épurer E passe successivement dans un dispositif de dégrillage 1 et dans un dispositif de dessablage 2 avant de parvenir à un décanteur ou clarificateur primaire 3 dans lequel se forme une eau décantée 4 située entre une couche de graisse surnageante 5 et une couche de boue 6 au fond du décanteur. L'eau décantée 4 est soutirée et envoyée, via une ligne 7, successivement vers un premier bassin biologique 8 (faculta¬ tif), dit "bassin anoxique", un second bassin biologique 9 (facultatif), dit "bassin d'anaérobiose" et un troisième bassin biologique 10 fonctionnant en mode aérobie. Le bassin 10 est aéré au moyen d'un dispositif d'agitation 11. Dans ces différents bassins biologiques, l'eau à épurer est mise en présence d'une biomasse composée de micro-organismes appro¬ priés jouant un rôle épurateur. L'eau est ensuite envoyée vers un décanteur secondaire 12 qui permet de séparer l'eau 13 de boues activées 14, qui sont, au moins en partie, recyclées dans les bassins biologiques au travers d'une ligne 15.
Par ailleurs, les boues sont recueillies à la base du décanteur primaire 3 par une ligne 16 et à la base du décanteur secondaire 12 par une ligne 17 pour être envoyées vers une ligne de traitement permettant de diminuer éventuel¬ lement le pouvoir putrescible des boues via un digesteur 18 (facultatif). De là, les boues peuvent être envoyées au travers d'une ligne 19 vers un dispositif 20 servant à la déshydratation des boues (éventuellement après un épaissis¬ seur). Le rôle de ce dispositif est de déshydrater les boues par voie mécanique, par exemple par centrifugation ou par pressage. A la sortie du dispositif 20, les boues dés ydra- tées sont envoyées, soit à la décharge, soit à l'incinéra¬ teur.
Conformément à l'invention, l'additif minéral A peut être ajouté dans le clarificateur primaire 3 ou en amont de celui- ci, dans l'un des bassins biologiques 8, 9, 10, de préférence dans le bassin d'aération 10, ou encore dans le clarificateur secondaire 12. L'additif peut être également introduit dans les boues en excès avant épaississement et déshydratation avant la ligne 19 et le dispositif 20.
On se réfère maintenant à l'installation de la figure 2 qui permet la mise en oeuvre d'un procédé avec décanteur lamel¬ laire et colonne à contact de boues, le procédé s'appliquant également aux décanteurs lamellaires à contre-courant direct, à co-courant et à courant croisé.
L'eau à épurer E est mise en contact avec un additif A préalablement mis en suspension dans un réservoir agité 21, avant d'être injectée, par l'intermédiaire d'une pompe 22, à un point d'entrée 23 situé à la base d'une colonne de floculation 25 (encore appelée colonne de boues). L'eau à épurer traverse, de bas en haut, la colonne de boues 25 pour pénétrer dans un décanteur 26 et venir en contact avec les lamelles 27 de celui-ci.
L'eau épurée quitte le décanteur 26 par une sortie S aménagée à sa partie supérieure.
Les boues accumulées sont soutirées à partir de points d'écoulement 24 prévus dans la colonne 25 et le décanteur 26.
L'invention sera maintenant décrite à l'aide des exemples non limitatifs suivants.
Exemple 1
Cet exemple montre l'augmentation de l'efficacité d'un décanteur lamellaire à colonne à contact de boues, par introduction d'un additif minéral. Il est mis en oeuvre dans un pilote de laboratoire présentant les caractéristiques suivantes :
Colonne de floculation :
Hauteur : 1,1 m Largeur : 0,14 m Profondeur : 0,12 m Section : 0,0168 m2 Volume : 0,1848 m3.
Décanteur lamellaire ;
Nombre de lamelles : 4
Angle d'inclinaison : 60°
Largeur de lamelle : 1,25 m
Largeur : 0,12 m
Profondeur : 0,12 m Section : 0,0144 m2.
L'exemple se réfère à une eau usée d'origine communale caractérisée par sa Demande Chimique en Oxygène (D.C.O.), ses Matières En Suspension (M.E.S.) et sa Turbidité exprimée en F.T.U. (Formazine Turbidity Unit). Cette dernière caractéris¬ tique se mesure par absorption de la lumière à travers l'échantillon à tester avec comme référence des étalons formazine.
L'efficacité du dispositif épuratoire est essentiellement mesurée par la réduction de la turbidité en continu sur l'eau entrante et l'eau décantée.
L'additif minéral employé a été préparé en laboratoire et présente les caractéristiques suivantes :
silicate de magnésium hydraté 40%, silicate double d'alumi¬ nium et de magnésium hydraté 46%, carbonate double de calcium et de magnésium 2% et quartz 12%. La solubilité dans l'eau à pH 7 est inférieure à 0,1%, la surface spécifique est de 2,5 m2/g, la porosité est inférieure à 0,1 mg/ cm3, la turbidité résiduelle dans l'eau est de 160 N.T.U; et la vitesse de chute est inférieure à 35 m/h. Cet additif présente une turbidité résiduelle dans l'eau de 60 F.T.U., indice utilisé pour cet exemple.
La quantité de l'additif minéral ajouté a été ajustée respectivement à 0,5 fois et 0,7 fois les Matières En Suspension (M.E.S.) entrantes pour une D.C.O. de 600 mg/1.
L'efficacité du décanteur lamellaire sans additif a été déterminée en fonction de la turbidité initiale, car cet appareil se trouve rapidement en limite d'efficacité lorsque celle-ci est inférieure à 350 F.T.U.
On constate, sur les essais effectués que, premièrement, l'additif permet de conserver une efficacité de l'ordre de 45% en traitant 60% d'eau en plus. Deuxièmement, à forte vitesse, supérieure à 15 m/h, l'efficacité du décanteur est doublée.
Il est de plus important de savoir que si l'additif minéral augmente le flux massique des boues, le flux volumique des boues à extraire et à traiter est diminué de 20 à 30%, ce qui augmente d'autant la période d'utilisation de ces décanteurs lamellaires à fonctionnement discontinu.
L'exemple est en outre illustré par les tableaux I et II en annexe.
Exemple 2
Cet exemple traite de la caractérisation de la bio-flocula- tion des flocs de micro-organismes par utilisation d'un additif minéral. Cette propriété est obtenue en laboratoire après que l'additif minéral ait été mis en contact avec les micro-organismes pendant 3 minutes sous agitation rapide (100 tours/min), puis 10 minutes sous agitation plus lente (60 tours/min) dans des réacteurs cylindriques, suivie d'une décantation non-agitée pendant 30 minutes.
L'observation s'effectue au microscope optique pour la mesure du diamètre des flocs de micro-organismes et la décantation est déterminée par l'indice de boue.
La concentration en additif minéral est de 100% en poids de la biomasse avec laquelle il est mis en contact. Les additifs de cet exemple ont les caractéristiques suivantes :
Additif A
Silicate de magnésium hydraté 95%, silicate double d'alumi- nium et de magnésium hydraté 3%, carbonate double de calcium et de magnésium 2%. Surface spécifique : 3,5 m2/g, turbidité résiduelle : 160 NTU et vitesse de chute : inférieure à 5 m/h.
Additif B
Silicate double d'aluminium et de magnésium 95%, silicate de magnésium hydraté 4%, carbonate double de calcium et de magnésium 1%. Surface spécifique : 10,5 m2/g, turbidité résiduelle : 200 NTU et vitesse de chute : inférieure à 3 m/h.
Additif C
Carbonate de calcium hydraté 94%, silicate de magnésium hydraté 3%, silicate double d'aluminium et de magnésium hydraté 3%. Surface spécifique : 1 m2/g, turbidité résiduel¬ le : 300 NTU et vitesse de chute : inférieure à 30 m/h.
Tous ces additifs ont des porosités inférieures à 0,1 cm3/g et des capacités d'adsorption de D.C.O. et N-NH4 respective¬ ment inférieures à 60 mg/g et 10 mg/g. L'exemple 2 est en outre illustré par le tableau III en annexe.
En agissant sur la floculation des micro-organismes, les additifs améliorent la sédimentation de ces micro-organismes (mesurée par l'indice de boue), ce qui était attendu au regard des informations précédemment connues. L'additif minéral modifie également la taille de ces flocs de micro¬ organismes pour créer des flocs de très grandes tailles, diffus et stables présentant des propriétés de flottation à l'aide de bulles d'air, bien supérieures aux flocs de micro¬ organismes non modifiés.
En effet, les boues introduites dans une cellule de flotta- tion montrent une augmentation respectivement de 50% et de 30% pour les additifs A et B. Par contre, l'additif C favorise surtout la sédimentation.
TABLEAU I
Turbidité eau brute > 350 FTU
Figure imgf000029_0001
Sans additif Additif
0,5 fois les MES entran¬ 0,7 fois les MES en¬ tes trantes
Turbidité Vitesse Efficacité Turb. Vit.col. Eff. Turb. Vit.col Eff. entrante colonne
FTU m/h % FTU m/h % FTU m/h %
365 10,5 47 425 9,8 57 430 13,7 57
425 11,9 47 370 10,7 50 430 14,3 52
370 15,5 37 350 15,7 38 370 16,7 45
350 15,5 23 400 19 40
TABLEAU II
Turbidité eau brute < 350 FTU
Sans additif Additif
0 ,5 fois MES 0,7 fois MES
Turbidité Vit.col Efficacité Turb. Vit.col. Eff. Turb. Vit.col Eff.
FTU m/h % FTU m/h % FTU m/h %
270 10 47 320 12,2 40 350 16,7 40
300 10,5 50 310 13,1 39
320 11,9 37 350 15,7 38
320 12,5 27
320 15,5 19
300 18,4
5
Figure imgf000030_0001
TABLEAU III
Biomasse de Additif A Additif B Additif C référence 100% de la la 100% de la 100% de la bio¬ biomasse biomasse masse
Taille des flocs
100 ± 20 260 ± 40 240 ± 40 160 ± 20 de micro-organismes en micro-mètres
indice de boue ml/g 110 90 80 60

Claims

Revendications
1.- Procédé d'épuration d'une eau contenant une charge polluante définie par son flux, dans lequel l'eau à épurer est soumise a au moins une opération de traitement, notamment par décantation et/ou activation biologique, avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues éventuellement activées,
caractérisé en ce que l'on ajoute à l'eau à traiter au moins un additif minéral sous forme de poudre, de granulés ou de suspension, et répondant aux propriétés suivantes :
- non-adsorption et inertie chimique à l'égard de la charge polluante présente dans l'eau à épurer,
- insolubilité ou faible solubilité, inférieure à 5%, dans l'eau dans les conditions habituelles de pH (pH5 à pH9) rencontrées lors du traitement,
- surface spécifique supérieure à 0,4 m2/g (méthode BET),
- microporosité inférieure à 0,1 cm3/g,
- turbidité résiduelle dans l'eau inférieure à 300 NTU, et
- vitesse de chute inférieure à 35 m/h.
2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'additif minéral est un produit naturel ou synthétique choisi parmi l'une au moins des familles chimiques formées par les silicates, les aluminates, les carbonates, les sulfates et les verres insolubles ou faiblement solubles aux conditions habituelles de pH rencontrées lors de traitement.
3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caracté¬ risé en ce que l'additif minéral est choisi parmi l'une au moins des familles chimiques suivantes : - aluminosilicates,
- aluminate de magnésium,
- carbonate de calcium hydraté,
- carbonate double de calcium et de magnésium hydraté, - carbonate de calcium amorphe ou cristallisé,
- silicate de magnésium hydraté,
- silicate d'aluminium hydraté,
- silicate double de magnésium et d'aluminium hydraté, et
- sulfate de calcium hydraté.
4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à épurer est une eau à potabiliser et est soumise à une opération de séparation primaire dans un clarificateur primaire, avec décantation, caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation primaire et que la masse journalière de l'additif minéral ajouté est égale à 1 à 500 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opéra¬ tion de séparation primaire dans un clarificateur primaire avec décantation et sans traitement dans des bassins biologi¬ ques, caractérisé en ce qu'on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation primaire et que la masse journalière de l'additif minéral ajouté est égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
6.- Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caracté¬ risé en ce que l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 200 NTU et une vitesse de chute comprise entre 0,03 et 35 m/h.
7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à épurer est une eau à potabiliser et est soumise à une opération de séparation primaire par flottation, caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif minéral avant l'opération de séparation primaire et que la masse journalière de l'additif 32 minéral ajouté est égale à 1 à 100 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 250 NTU et une vitesse de chute inférieure à 5 m/h.
9.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opéra¬ tion de séparation primaire dans un clarificateur primaire, avec décantation, et avant traitement dans des bassins biologiques, caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation primaire et que la masse journalière de l'additif minéral ajouté est égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute comprise entre 0,01 et 35 m/h.
11.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'eau à épurer est une eau usée et est soumise à une opération de séparation primaire par flottation avant traitement dans des bassins biologiques, caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif minéral avant l'opération de séparation primaire et que la masse journalière de l'additif minéral ajouté est égale à 0,1 à 10 fois la masse journalière de la charge polluante contenue dans l'eau.
12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute inférieure à 5 m/h.
13.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 et 7 à 12, dans lequel l'eau à épurer est soumise à une opération d'activation biologique dans au moins un bassin biologique en présence d'une biomasse composée de micro-organismes épura- teurs et à une opération de séparation secondaire dans un clarificateur secondaire avec séparation subséquente d'une eau épurée et de boues activées,
caractérisé en ce que l'on ajoute l'additif minéral avant ou pendant l'opération de séparation secondaire avec une quantité choisie d'additif minéral en fonction de la concen- tration de biomasse à tout instant, qui représente de 10 à 300% en poids de la biomasse dans le bassin d'aération.
14.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'additif minéral possède une turbidité résiduelle dans l'eau généralement inférieure à 300 NTU et une vitesse de chute inférieure à 35 m/h.
15.- Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que l'additif minéral est ajouté en fonction de la quantité de biomasse active présente à tout instant ou bien en remplacement de la quantité d'additif minéral dans la biomasse en excès, extraite sous forme de boues actives à partir du clarificateur secondaire.
16.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caracté¬ risé en ce qu'on ajoute à l'additif minéral un additif cationisé à chaîne courte.
17.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caracté- risé en ce que l'on ajoute à l'additif minéral un additif complémentaire connu pour son action spécifique sur les pollutions toxiques ou les pollutions solubles non degrada¬ bles par voie biologique, dont l'action spécifique est augmentée par effet de synergie dû à l'additif minéral.
18.- Additif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un additif minéral tel que défini dans l'une des revendica¬ tions 1 à 3.
19.- Additif selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'additif minéral est mélangé à un additif cationise à chaîne courte.
20.- Additif selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'additif minéral est mélangé à un additif complémentaire choisi en fonction de l'opération de traitement.
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CN109851151A (zh) * 2018-12-17 2019-06-07 北京航天环境工程有限公司 一种含蒽醌污水的处理系统及应用

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FR2676043A1 (fr) * 1991-05-02 1992-11-06 Luzenac Talc Procede de traitement d'un milieu enzymatique contenant des polyphenols en vue de proteger l'activite enzymatique, et application notamment a l'epuration d'eaux residuaires.
FR2699525A1 (fr) * 1992-12-22 1994-06-24 Hecke Jean Claude Van Den Composition de matière pour l'épuration chimique, physique et biologique des liquides aqueux pollués, son procédé de préparation et procédé d'épuration utilisant cette composition.
WO1994020425A1 (fr) * 1993-03-11 1994-09-15 Naintsch Mineralwerke Gesellschaft M.B.H. Procede perfectionne d'epuration d'eaux usees du type 'a boues activees', permettant d'accroitre les rendements d'epuration

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