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Selon la théorie traditionnelle de la dénitrification biologique, la voie de dénitrification comprend généralement deux étapes : nitrification et dénitrification . Les deux procédés de nitrification et de dénitrification doivent être réalisés dans deux réacteurs isolés, ou dans le même réacteur avec une alternance d'environnements anoxiques et aérobies dans le temps ou dans l'espace ; en fait, dans la période antérieure, dans certains procédés à boues activées sans étapes anoxiques et anaérobies évidentes, on a observé à plusieurs reprises le phénomène de perte d'azote non assimilé, et la disparition de l'azote a également été observée à plusieurs reprises dans les systèmes d'aération. Dans ces systèmes de traitement, les réactions de nitrification et de dénitrification se produisent souvent dans les mêmes conditions de traitement et dans le même espace de traitement. Par conséquent, ces phénomènes sont appelés nitrification/dénitrification simultanée (SND).
La technologie de nitrification et dénitrification synchrone (SND) consiste à produire simultanément des réactions de nitrification, de dénitrification et d’élimination du carbone dans le même réacteur. Cela brise la vision traditionnelle selon laquelle la nitrification et la dénitrification ne peuvent pas se produire en même temps, en particulier dans des conditions aérobies, la dénitrification peut également se produire, rendant possible la nitrification et la dénitrification simultanées.
La nitrification consomme de l'alcalinité et la dénitrification produit de l'alcalinité. Par conséquent, SND peut efficacement maintenir la valeur du pH dans le réacteur stable, sans neutralisation acido-basique ni source de carbone externe ; économisez le volume du réacteur, raccourcissez le temps de réaction et réduisez le flottement des boues dans le bassin de décantation secondaire en réduisant la concentration d'azote nitrate. Par conséquent, SND est devenu un haut lieu de recherche pour la dénitrification biologique. Concernant la faisabilité de la dénitrification biologique du SND, il existe actuellement trois points de vue principaux selon des perspectives différentes :
Perspective macro-environnementale : ce point de vue estime qu'il n'existe pas d'état de mélange complètement uniforme et qu'une répartition inégale de l'OD dans le réacteur peut former des zones aérobies, anoxiques et anaérobies. La dénitrification peut se produire dans des conditions anoxiques/anaérobies dans le même bioréacteur. La SND peut être obtenue en combinant l’élimination de la matière organique et la nitrification de l’azote ammoniacal dans l’environnement aérobie de la section.
Perspective du microenvironnement : ce point de vue soutient que le microenvironnement anoxique dans les flocs microbiens est la principale cause du SND, c'est-à-dire qu'en raison de la limitation de diffusion (transfert) de l'oxygène, il existe un gradient d'oxygène dissous dans les flocs microbiens, formant ainsi un microenvironnement. qui favorise la nitrification et la dénitrification simultanées.
Perspective biologique : selon ce point de vue, l'existence de populations microbiennes spéciales est considérée comme la principale cause du SND. Certaines bactéries nitrifiantes peuvent effectuer une dénitrification en plus de la nitrification normale. Des chercheurs néerlandais ont isolé des coques soufrées pantotrophes capables d'effectuer à la fois une nitrification aérobie et une dénitrification aérobie. Certaines bactéries coopèrent entre elles pour effectuer des réactions séquentielles permettant de convertir l'ammoniac en azote gazeux, ce qui permet de réaliser la dénitrification biologique dans le même réacteur dans les mêmes conditions.
À l'heure actuelle, il existe de nombreuses études microbiologiques et explications sur la dénitrification biologique, mais elles ne sont pas parfaites et la compréhension du phénomène SND est encore en cours de développement et d'exploration. La théorie du microenvironnement est généralement acceptée. En raison de l'existence d'un gradient d'oxygène dissous, la concentration en oxygène dissous sur la surface externe des flocs ou biofilms microbiens est élevée, principalement des bactéries nitrifiantes aérobies et des bactéries ammonifiantes ; au plus profond de l'intérieur, le transfert d'oxygène est bloqué et une grande quantité d'oxygène dissous externe est consommée, ce qui entraîne des zones anoxiques, où les bactéries dénitrifiantes sont les espèces dominantes, ce qui peut conduire à l'apparition simultanée de nitrification et de dénitrification. Cette théorie explique le problème de la coexistence de différentes souches dans un même réacteur, mais il existe également un défaut, à savoir le problème des sources de carbone organique. Les sources de carbone organique sont à la fois des donneurs d’électrons pour la dénitrification hétérotrophique et des inhibiteurs du processus de nitrification. Lorsque la source de carbone organique présente dans les eaux usées traverse la couche aérobie, elle est d'abord oxydée par oxydation aérobie. Les bactéries dénitrifiantes de la zone anoxique ne peuvent pas obtenir de donneurs d'électrons, ce qui réduit le taux de dénitrification et peut affecter l'efficacité de dénitrification du SND. Par conséquent, le mécanisme de nitrification et de dénitrification simultanées doit encore être amélioré.
MBBR est un nouveau type de réacteur efficace qui combine la méthode des boues activées à croissance en suspension et la méthode du biofilm à croissance attachée. Le principe de conception de base consiste à ajouter directement la charge en suspension avec une densité proche de l'eau et peut être mise en suspension dans l'eau dans le réservoir de réaction en tant que support actif de micro-organismes. La charge en suspension peut entrer en contact avec les eaux usées fréquemment et plusieurs fois et développer progressivement un biofilm (film) à la surface de la charge, ce qui renforce l'effet de transfert de masse des polluants, de l'oxygène dissous et du biofilm, c'est-à-dire que le MBBR est appelé « biofilm mobile ». ". Sur la base des recherches menées jusqu'à présent sur le mécanisme du SND, combinées au microenvironnement et à la théorie biologique, le mode de réaction possible du SND dans le biofilm MBBR est que les bactéries aérobies oxydant l'ammoniac, les bactéries oxydant les nitrites et les bactéries aérobies dénitrifiantes distribuées dans la couche aérobie du biofilm coopèrent avec les bactéries anaérobies oxydant l'ammoniac, les bactéries nitrites autotrophes et les bactéries dénitrifiantes distribuées dans la couche anoxique biologique, et atteignent enfin l'objectif de dénitrification.
Le MBBR s'appuie sur l'aération et le débit d'eau dans le réservoir d'aération pour rendre le support dans un état fluidisé, formant ainsi des boues activées en suspension et un biofilm attaché, donnant ainsi pleinement accès aux avantages des organismes en phase attachée et en suspension, fournissant non seulement des propriétés macroscopiques et microscopiques. environnements aérobies et anaérobies, mais aussi résoudre les conflits sur les sources d'OD et de carbone entre les nitrifiants autotrophes, les dénitrifiants hétérotrophes et les bactéries hétérotrophes. Par conséquent, le MBBR peut atteindre l'équilibre cinétique des deux processus de nitrification et de dénitrification, présente de très bonnes conditions pour une nitrification et une dénitrification simultanées et peut réaliser une nitrification, une dénitrification et une dénitrification simultanées du MBBR.
La technologie clé pour réaliser la nitrification et la dénitrification simultanées du MBBR est de contrôler l'équilibre cinétique de réaction de nitrification et de dénitrification dans le MBBR, de résoudre le différend DO entre les nitrifiants autotrophes et les bactéries hétérotrophes et le différend sur la source de carbone entre les dénitrifiants et les bactéries hétérotrophes, etc. Les principaux facteurs de contrôle sont : le rapport carbone-azote, la concentration en oxygène dissous, la température et le pH, etc.
La clé technique de la méthode MBBR réside dans les charges biologiques ayant une densité proche de celle de l’eau et faciles à déplacer librement avec l’eau sous légère agitation. Habituellement, les charges sont en plastique polyéthylène. La forme de chaque support est un petit cylindre d'un diamètre de 10 mm et d'une hauteur de 8 mm. Il y a des supports transversaux dans le cylindre et des ailettes verticales saillantes sur la paroi extérieure. La partie creuse de la charge représente 0,95 du volume total, c'est-à-dire que dans un récipient rempli d'eau et de charges, le volume d'eau dans chaque charge est de 95 %. Compte tenu de la rotation de la remplisseuse et du volume total du conteneur, le taux de remplissage de la remplisseuse est défini comme la proportion de l'espace occupé par le transporteur. Afin d'obtenir le meilleur effet de mélange, le taux de remplissage maximum de la charge est de 0,7. Théoriquement, la surface spécifique totale de la charge est définie en fonction du nombre de surfaces spécifiques de supports biologiques par unité de volume, qui est généralement de 700 m2/m3. Lorsque le biofilm se développe à l’intérieur du support, la surface spécifique effective réelle est d’environ 500 m2/m3.
Ce type de charge biologique favorise la fixation et la croissance de micro-organismes à l'intérieur de la charge, formant un biofilm relativement stable, et il est facile de former un état fluidisé. Lorsque les exigences de prétraitement sont faibles ou que les eaux usées contiennent une grande quantité de fibres, par exemple lorsque le bassin de décantation primaire n'est pas utilisé dans le traitement des eaux usées municipales ou lors du traitement des eaux usées de fabrication du papier contenant une grande quantité de fibres, une charge biologique avec une surface spécifique plus petite zone et une taille plus grande est utilisée. Lorsqu'il y a un bon prétraitement ou qu'il est utilisé pour la nitrification, une charge biologique avec une grande surface spécifique est utilisée.
La concentration en DO est un facteur limitant majeur affectant la nitrification et la dénitrification simultanées . En contrôlant la concentration de DO, des zones aérobies ou des zones anoxiques peuvent se former dans différentes parties du biofilm, ayant ainsi les conditions physiques nécessaires pour réaliser une nitrification et une dénitrification simultanées.
Théoriquement, lorsque la concentration de DO est trop élevée, le DO peut pénétrer dans le biofilm, rendant difficile la formation de zones anoxiques à l'intérieur, et une grande quantité d'azote ammoniacal est oxydée en nitrate et nitrite, de sorte que le TN de l'effluent est encore très élevé ; au contraire, si la concentration en DO est très faible, cela entraînera une forte proportion de zones anaérobies à l'intérieur du biofilm, et la capacité de dénitrification du biofilm sera renforcée (les concentrations de nitrate et de nitrite dans l'effluent sont très faibles), mais en raison d'un apport insuffisant en DO, l'effet de nitrification du processus MBBR diminue, provoquant une augmentation de la concentration en azote ammoniacal de l'effluent, provoquant ainsi une augmentation du TN de l'effluent, affectant l'effet final du traitement.
Grâce à la recherche, une valeur optimale d'OD pour le traitement MBBR des eaux usées domestiques urbaines a finalement été obtenue : lorsque la concentration d'OD est supérieure à 2 mg/L, l'OD a peu d'effet sur l'effet de nitrification du MBBR, le taux d'élimination de l'azote ammoniacal peut atteindre 97 % -99 %, et l'azote ammoniacal des effluents peut être maintenu en dessous de 1,0 mg/L ; lorsque la concentration en OD est d'environ 1,0 mg/L, le taux d'élimination de l'azote ammoniacal est d'environ 84 % et la concentration en azote ammoniacal des effluents a augmenté de manière significative. De plus, le DO dans le bassin d’aération ne doit pas être trop élevé. Une teneur trop élevée en oxygène dissous peut entraîner une décomposition trop rapide des polluants organiques, entraînant un manque de nutrition pour les micro-organismes, et les boues activées sont sujettes au vieillissement et à une structure lâche. De plus, un OD trop élevé consommera trop d’énergie, ce qui est également inadapté du point de vue économique.
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