Voies technologiques d'élimination du phosphore total et de l'azote total : des principes de procédé à la sélection technique

Voies technologiques d'élimination du phosphore total et de l'azote total : des principes de procédé au choix d'ingénierie

Dans les projets de mise à niveau des stations d'épuration municipales et de traitement des eaux usées industrielles, l'élimination simultanée du phosphore total (PT) et de l'azote total (NT) est un défi technique et un indicateur clé de la réglementation environnementale. Le phosphore total provient principalement des détergents dans les eaux usées domestiques, des phosphates dans les eaux usées industrielles et des résidus de pesticides. L'azote total comprend l'azote ammoniacal, l'azote nitrique, l'azote organique, etc. Tous deux sont des facteurs clés de l'eutrophisation des eaux.

Pour les entrepreneurs en génie civil et les intégrateurs de systèmes, comprendre le champ d'application et les conditions limites des différentes technologies d'élimination du phosphore et de l'azote est la base de la conception des procédés et de la sélection des équipements.

1. Voies technologiques d'élimination du phosphore total

Le phosphore total existe dans l'eau sous forme d'orthophosphates, de polyphosphates et de phosphore organique. Différentes formes correspondent à différents mécanismes d'élimination.

1.1 Méthode de précipitation chimique

La précipitation chimique est le procédé principal pour l'élimination du phosphore. Il s'agit d'ajouter des sels métalliques ou de la chaux pour convertir les ions phosphate en précipités insolubles.

Méthode de précipitation par sels de calcium : L'ajout de chaux (CaO) ou de chlorure de calcium à des eaux usées contenant du phosphore génère un précipité d'hydroxyapatite en milieu alcalin. L'équation de réaction est la suivante :

5Ca²⁺ + 7OH⁻ + 3H₂PO₄⁻ → Ca₅(OH)(PO₄)₃↓ + 6H₂O

Paramètres d'ingénierie : Le meilleur effet d'élimination du phosphore est obtenu lorsque le pH est contrôlé entre 10,5 et 12,5, et la concentration en phosphate de l'effluent peut être inférieure à 0,5 mg/L. Le temps de réaction est de 10 à 15 minutes. La coopération avec un floculant PAM peut améliorer l'efficacité de sédimentation.

Méthode de précipitation par sels d'aluminium/fer : L'ajout de sulfate d'aluminium, de chlorure d'aluminium ou de chlorure ferrique génère des précipités de phosphate d'aluminium ou de fer. Son avantage est qu'il peut fonctionner dans des conditions de pH quasi neutre (6,5–7,5), adapté à l'élimination du phosphore après un système biochimique.

Il convient de noter que la méthode de précipitation chimique cible principalement le phosphore inorganique et a un effet limité sur l'élimination du phosphore organique. Une vérification du procédé est nécessaire en fonction de la qualité réelle de l'eau.

1.2 Élimination biologique du phosphore

L'élimination biologique du phosphore repose sur le comportement de surabsorption du phosphore par les organismes accumulateurs de phosphore (PAO) dans des environnements anaérobies/aérobies alternés. Dans la phase anaérobie, le polyphosphate est hydrolysé pour libérer du phosphate ; dans la phase aérobie, le phosphate est surabsorbé et stocké dans les cellules sous forme de polyphosphate, et le phosphore est éliminé par le rejet des boues en excès.

Lorsque le système d'élimination biologique renforcée du phosphore (EBPR) fonctionne de manière stable, le phosphore total de l'effluent peut atteindre moins de 0,5 mg/L. Cependant, l'élimination biologique du phosphore est sensible aux sources de carbone de l'influent et aux conditions de fonctionnement, et l'efficacité diminue considérablement à basse température ou avec un faible rapport C/N.

1.3 Méthode d'adsorption

Utilisation de l'effet d'adsorption de matériaux poreux pour éliminer les phosphates de l'eau. Des études montrent que le charbon actif à base de boues a une capacité d'adsorption du phosphore de 7,3 mg/g à pH 6 et un temps d'adsorption de 360 minutes, ce qui est meilleur que les 4,1 mg/g du charbon actif commercial. Le biochar préparé à partir de fibres de palmier dattier peut atteindre un taux d'élimination du phosphore total de 81 % à 91 %.

La méthode d'adsorption convient au traitement tertiaire des eaux usées à faible concentration en phosphore ou en tant qu'unité de traitement avancé, mais les coûts de régénération et de remplacement des adsorbants doivent être inclus dans l'évaluation économique du projet.

2. Voies technologiques d'élimination de l'azote total

L'élimination de l'azote total consiste à convertir les différentes formes d'azote en azote gazeux et à les libérer du milieu aquatique. Les principales voies techniques incluent la dénitrification biologique et les méthodes physico-chimiques.

2.1 Procédé de dénitrification biologique

La dénitrification biologique est réalisée par le couplage des processus de nitrification et de dénitrification.

Nitrification : En conditions aérobies, l'azote ammoniacal est oxydé séquentiellement en azote nitreux puis en azote nitrique par les bactéries nitreuses et nitrifiantes.

Dénitrification : En conditions anoxiques, les bactéries dénitrifiantes utilisent la matière organique comme donneur d'électrons pour réduire l'azote nitrique en azote gazeux.

Les procédés courants en ingénierie incluent :

• Procédé AAO (Anaérobie-Anoxique-Oxique) : Structure à trois étages standard, permettant une élimination simultanée de l'azote et du phosphore. Le procédé AAO amélioré, grâce à un contrôle précis du taux de recirculation interne et à l'ajout de source de carbone, peut atteindre un effluent NT < 11 mg/L et PT < 0,5 mg/L lorsque le rapport C/N de l'influent est de 3–4.

• Procédé Bardenpho : Un étage anoxique supplémentaire est ajouté pour utiliser pleinement les sources de carbone endogènes pour une dénitrification profonde. Des études montrent qu'avec un dosage de source de carbone de 38,63 mg/L et un taux de recirculation interne de 300 %, l'effluent NT est de 8,15 mg/L et PT de 0,3 mg/L.

• Procédé AOA-SBR : Réacteur séquentiel anaérobie/oxique/anoxique. À basse température (15,7 °C), lorsque l'influent NT est de 45,5 mg/L et PT de 3,9 mg/L, l'effluent est réduit respectivement à 10,9 mg/L et 0,1 mg/L.

2.2 Stratégie d'ajout de source de carbone externe

Un faible rapport carbone/azote (C/N < 4) est une caractéristique typique des eaux usées municipales dans les régions du nord. L'insuffisance de sources de carbone limite l'efficacité de la dénitrification. Dans les projets réels, des sources de carbone externes comme l'acétate de sodium sont utilisées en complément.

Les stratégies de contrôle précis lient le dosage de la source de carbone à la concentration en azote nitrique dans la zone anoxique, ce qui peut réduire la consommation de source de carbone par tonne d'eau de 60 g à 20 g (calculé en acétate de sodium pur), économisant environ 70 % des coûts de source de carbone.

2.3 Méthodes physico-chimiques de dénitrification

Pour les eaux usées à haute teneur en azote non traitables biologiquement (comme les lixiviats de décharge et les eaux usées industrielles), les méthodes suivantes peuvent être utilisées :

• Échange d'ions : Adsorption sélective des ions ammonium à l'aide de matériaux tels que la zéolite.

• Séparation par membrane : Osmose inverse ou électrodialyse pour concentrer et séparer l'azote.

• Éliminateur d'azote ammoniacal : Uniquement applicable aux eaux usées dominées par l'azote ammoniacal, le convertissant en azote gazeux par réaction chimique. Notez que les éliminateurs d'azote ammoniacal sont inefficaces contre l'azote nitrique et l'azote organique. L'effet d'élimination de l'azote total dépend de la proportion d'azote ammoniacal dans l'azote total.

3. Combinaison des procédés et référence pour la sélection en ingénierie

4. Synergie des procédés : Difficultés d'ingénierie de l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore

Il existe des contradictions de procédé dans l'élimination simultanée de l'azote total et du phosphore total :

• L'élimination biologique du phosphore nécessite des sources de carbone suffisantes (section anaérobie), tandis que la dénitrification biologique consomme également des sources de carbone (section anoxique).

• L'élimination du phosphore repose sur l'extraction des boues en excès, tandis que la dénitrification repose sur un âge des boues plus long.

L'ingénierie atteint l'équilibre grâce aux stratégies suivantes :

• Adopter une entrée d'eau étagée pour distribuer les sources de carbone aux sections anaérobie et anoxique.

• Âge des boues contrôlé entre 10 et 15 jours, prenant en compte les besoins de croissance des bactéries nitrifiantes et des PAO.

• Lorsque les exigences de l'effluent en PT sont strictes (<0,3 mg/L), compléter par une unité de post-précipitation chimique.

5. Surveillance et contrôle de procédé

Pour les intégrateurs de systèmes, la surveillance en ligne du phosphore total et de l'azote total est la base de la régulation du procédé. Actuellement, la surveillance du PT utilise la méthode spectrophotométrique au molybdate d'ammonium (limite de détection 0,01–1,0 mg/L), et le NT utilise la méthode de digestion au persulfate alcalin-spectrophotométrie UV. Dans le procédé AAO, la concentration en azote nitrique dans la section anoxique est le paramètre clé pour contrôler le taux de recirculation interne et le dosage de la source de carbone externe.

FAQ

Q1. La précipitation chimique est-elle efficace sur le phosphore organique ?

Inefficace. La précipitation chimique n'agit que sur les ions phosphate inorganiques. Le phosphore organique doit d'abord être converti en phosphore inorganique par oxydation ou biodégradation avant élimination par précipitation.

Q2. Pourquoi la dénitrification est-elle difficile dans les eaux usées à faible rapport C/N ?

La dénitrification nécessite de la matière organique comme donneur d'électrons. Lorsque C/N < 4, la source de carbone de l'eau brute est insuffisante pour supporter une dénitrification complète, et des sources de carbone externes (comme l'acétate de sodium) ou des stratégies d'entrée d'eau multipoint doivent être complétées.

Q3. Comment choisir entre l'élimination biologique et chimique du phosphore ?

L'élimination biologique est utilisée comme procédé principal (faible coût d'exploitation, mais l'efficacité est affectée par les fluctuations de la qualité de l'eau) ; la précipitation chimique est utilisée comme mesure de sauvegarde (réaction stable, mais coût chimique élevé). En ingénierie, un mode combiné de biologie principale et chimie auxiliaire est souvent adopté.

Q4. Lorsque la conformité de l'azote total est difficile, quels paramètres ajuster en premier ?

Vérifier séquentiellement : taux de recirculation interne (devrait être 200%–400%), oxygène dissous dans la section anoxique (devrait être <0,5 mg/L), dosage et point d'injection de la source de carbone (devrait être ajouté à l'entrée de la zone anoxique), âge des boues (les bactéries nitrifiantes nécessitent un âge des boues plus long).

Q5. Pour réduire le phosphore total de 1,0 mg/L à 0,3 mg/L, quel procédé est le plus économique ?

Lorsque le PT de l'influent est déjà réduit à environ 1,0 mg/L, le potentiel de l'élimination biologique du phosphore est proche de sa limite supérieure. Utiliser des sels d'aluminium ou de fer pour une post-précipitation chimique (dosage d'environ 10–30 mg/L) est une solution de déphosphatation profonde économique et réalisable.

Q6. Quelle est la durée du cycle de saturation de l'adsorption sur charbon actif pour l'élimination du phosphore ?

Cela dépend de la concentration en phosphore de l'influent et du type de charbon. Une régénération est nécessaire lorsque l'adsorption de phosphore atteint 60 % à 70 % de la capacité d'adsorption saturée. Prenons l'exemple du charbon actif de coque de noix de coco : lors du traitement d'un effluent secondaire avec un phosphore de 1–2 mg/L, le cycle de saturation est d'environ 2000 à 5000 volumes de lit.

Q7. Les équipements intégrés de traitement des eaux usées peuvent-ils simultanément respecter les normes PT et NT ?

Oui, c'est configurable. Il est nécessaire d'adopter des procédés avec contrôle segmenté anaérobie, anoxique, aérobie (comme les équipements intégrés AAO), et d'être équipé d'unités de dosage chimique et d'instruments de surveillance en ligne. Convient aux scénarios de traitement décentralisé des eaux usées de 50 à 500 m³/j.

Résumé :

L'élimination du phosphore total et de l'azote total est un défi systémique en ingénierie du traitement des eaux usées. L'élimination du phosphore total repose principalement sur la précipitation chimique et l'élimination biologique du phosphore, tandis que l'élimination de l'azote total est centrée sur la nitrification/dénitrification biologique. Il existe un jeu entre les deux dans la distribution des sources de carbone et le contrôle de l'âge des boues.

Les entrepreneurs en génie civil doivent clarifier les caractéristiques de la qualité de l'eau d'entrée (rapport C/N, forme du phosphore, plage de température) lors de la phase de conception, sélectionner les procédés principaux correspondants et réserver des unités de dosage chimique et de filtration avancée comme garantie de conformité. Les intégrateurs de systèmes doivent se concentrer sur la configuration des instruments de surveillance en ligne (analyseurs d'azote nitrique, d'azote ammoniacal, PT/NT) pour fournir un support de données pour la régulation fine du procédé.

Fiches techniques des capteurs de qualité d'eau

NBL-WQ-CL Capteur de qualité d'eau en ligne Chlore résiduel.pdf    

NBL-WQ-DO Capteur d'oxygène dissous en ligne par fluorescence.pdf    

NBL-WQ-NHN Capteur de qualité d'eau Azote ammoniacal.pdf    

NBL-WQ-COD Capteur de qualité d'eau en ligne DCO.pdf    

NBL-WQ-PH Capteur de qualité d'eau en ligne pH.pdf    

NBL-WQ-EC Capteur de qualité d'eau Conductivité.pdf    

NBL-WQ-BOD-4A Capteur en ligne DBO.pdf    

NBL-WQ-TH-4S Capteur en ligne Dureté totale.pdf