De nombreuses stations d'épuration finissent par être confrontées au même problème : le débit ou la charge polluante augmente, les limites de rejet deviennent plus strictes, mais il reste peu de place pour un autre réservoir biologique. Dans ces situations, l’expansion des capacités ne nécessite pas toujours d’importantes constructions civiles. En identifiant le véritable goulot d'étranglement du processus et en améliorant la rétention de la biomasse, l'aération, la clarification, la séparation par membrane ou le contrôle du processus, une usine existante peut être en mesure de traiter beaucoup plus d'eaux usées dans le cadre de son empreinte actuelle.
Pourquoi les réservoirs biologiques existants deviennent le goulot d'étranglement
Une station d’épuration peut sembler « pleine » pour plusieurs raisons différentes. Dans certaines installations, le débit hydraulique moyen a augmenté en raison de la croissance démographique, de l’expansion industrielle ou de lignes de production supplémentaires. Dans d’autres, le débit reste similaire mais les charges influentes de DCO, de DBO, d’ammoniac ou d’azote total ont augmenté.
Des exigences plus strictes en matière d’effluents peuvent également donner l’impression qu’un processus biologique existant est sous-dimensionné. Un réservoir qui assurait autrefois une élimination suffisante du carbone peut ne pas avoir suffisamment de biomasse efficace, de capacité de transfert d'oxygène ou de temps de rétention de solides pour atteindre une nitrification stable ou des limites de nutriments plus exigeantes.
C'est pourquoi les ingénieurs doivent faire la distinction entre capacité hydraulique et capacité biologique . La capacité hydraulique décrit la quantité de débit qui peut physiquement traverser le réservoir à un temps de rétention acceptable. La capacité biologique décrit la quantité de pollution que la population microbienne retenue peut réellement éliminer.
| Goulot d'étranglement typique | Symptôme commun | Ce que cela peut indiquer |
|---|---|---|
| Chargement organique | DCO ou DBO des effluents élevés | Biomasse active, oxygène ou temps de contact insuffisants |
| Nitrification | Ammoniac à effluent élevé | Faible SRT, basse température, oxygène insuffisant ou biomasse nitrifiante insuffisante |
| Aération | OD constamment faible | Capacité de transfert d’oxygène insuffisante |
| Précision | TSS d'effluents élevés ou lit de boues ascendantes | Limitation du chargement de solides dans le clarificateur secondaire |
| Hydraulique | THS court ou performances instables pendant les pics | Limitation de capacité liée au débit |
Un réservoir biologique existant peut être contraint hydrauliquement avant d'être biologiquement optimisé ou biologiquement surchargé même lorsque son temps de rétention hydraulique semble encore acceptable.
Augmentez la biomasse sans augmenter le volume du réservoir : mise à niveau MBBR et IFAS
L’un des moyens les plus efficaces d’augmenter la capacité de traitement biologique d’un réservoir existant consiste à retenir davantage de biomasse active. Les technologies de réacteur à biofilm à lit mobile et de boues activées à film fixe intégrées y parviennent en fournissant des supports en plastique sur lesquels les micro-organismes peuvent se développer sous forme de biofilm attaché.
Dans un procédé classique à boues activées, la quantité de biomasse pouvant être retenue est fortement liée à la décantation des boues et à l'opération de retour des boues activées. En introduisant des supports de biofilm, une partie de la population microbienne est retenue sur le support indépendamment du clarificateur secondaire.
Cela peut être particulièrement utile pour la nitrification, car les micro-organismes oxydant l’ammoniac se développent relativement lentement. Le biofilm fournit une surface stable sur laquelle ces organismes peuvent rester dans le système même lorsque la rétention des matières en suspension est limitée.
Dans un Mise à niveau MBBR , la biomasse attachée peut assurer une grande partie de la tâche de traitement. Dans un Mise à niveau IFAS , le processus de boues activées en suspension est conservé tandis que les supports de biofilm ajoutent une population supplémentaire de micro-organismes attachés.
Le taux de remplissage, la géométrie du support, la surface protégée efficace, le mélange, l'aération, les écrans de rétention des médias, l'alimentation en oxygène, les caractéristiques des eaux usées et la fonction d'élimination de la cible doivent tous être pris en compte ensemble.
Des taux de remplissage excessifs peuvent rendre le mélange plus difficile, augmenter la demande d'air, créer un mouvement irrégulier du transporteur et augmenter la charge hydraulique sur les tamis de rétention. Une rénovation réussie commence donc par un calcul de la charge biologique plutôt que par un simple remplissage du réservoir avec autant de fluides que possible.
Améliorez l'aération avant d'étendre le processus biologique
Certaines plantes qui semblent avoir besoin de plus de volume biologique sont en réalité limitées par le transfert d’oxygène. L'augmentation de la biomasse ou une charge insuffisante en oxygène peuvent nuire aux performances du traitement, même lorsque le réacteur biologique lui-même est suffisamment grand.
Les systèmes d'aération perdent en performance avec le temps. Les diffuseurs peuvent s'encrasser, la chute de pression peut augmenter, la répartition du débit d'air peut devenir inégale et les anciens systèmes à grosses bulles peuvent nécessiter plus de puissance de soufflage pour transférer la même quantité d'oxygène.
Des concentrations élevées de MLSS peuvent réduire encore davantage l’efficacité réelle du transfert d’oxygène par rapport à l’eau propre. La profondeur du réservoir, la chimie des eaux usées, les tensioactifs, la température, l’état du diffuseur et la disposition de l’aération affectent également l’oxygène réellement disponible pour les micro-organismes.
Questions à vérifier avant d'ajouter plus de volume biologique
| Aération Problem | Action de rénovation possible |
|---|---|
| Chute de pression élevée du diffuseur | Nettoyer ou remplacer les diffuseurs vieillissants |
| Faible efficacité de transfert d’oxygène | Évaluer la mise à niveau du diffuseur à fines bulles |
| Répartition inégale de l'OD | Optimiser la disposition des diffuseurs et la répartition du flux d'air |
| Souffleur proche de sa capacité | Réduire la perte de pression du système ou évaluer la mise à niveau du ventilateur |
| Énergie d'aération élevée | Améliorer le contrôle du flux d’air et l’efficacité du transfert d’oxygène |
Pour de nombreuses centrales existantes, restaurer ou améliorer l’efficacité du transfert d’oxygène est l’un des moyens les plus rapides de récupérer la capacité biologique inutilisée sans modifier l’empreinte du réacteur.
Augmentez la SRT et la concentration de biomasse, mais surveillez le clarificateur
Une usine à boues activées conventionnelle peut parfois traiter une charge supplémentaire en augmentant le temps de rétention des solides et en maintenant davantage de biomasse dans le processus biologique. Cela peut impliquer de réduire le gaspillage des boues, d’augmenter le MLSS ou d’optimiser le retour des boues activées.
Cependant, cette stratégie présente des limites pratiques. Un MLSS plus élevé augmente la masse de solides qui doivent passer par le clarificateur secondaire. Cela augmente également la demande en oxygène et peut augmenter la viscosité de la liqueur mélangée, réduisant ainsi l'efficacité du transfert d'oxygène et rendant la séparation des boues plus difficile.
Si la capacité biologique augmente alors que la clarification secondaire reste inchangée, l'usine peut connaître des problèmes de couvertures de boues, de transfert de solides, de décantation instable ou de problèmes de MES des effluents.
Les ingénieurs doivent donc évaluer le taux de débordement en surface, le taux de chargement de solides, l'indice de volume des boues, la capacité de retour des boues et les performances de débit de pointe avant d'augmenter considérablement le MLSS.
Dans les applications de clarification appropriées, les décanteurs tubulaires ou les modules à lamelles peuvent augmenter la zone de décantation efficace au sein d'une empreinte de clarificateur existante. Cette approche peut être intéressante lorsque la capacité de clarification hydraulique est la principale contrainte, même si elle ne constitue pas une solution universelle pour tous les clarificateurs secondaires à boues activées. Les caractéristiques des boues et leur comportement hydraulique doivent être évalués en premier.
Utilisez la modernisation du MBR lorsque la séparation des solides devient une contrainte de capacité
Dans certaines usines, le réacteur biologique ne constitue pas le problème principal. La véritable limitation est le clarificateur secondaire. Lorsqu’une plus grande quantité de biomasse est nécessaire mais que la sédimentation par gravité ne peut pas la retenir de manière fiable, la séparation par membrane peut constituer une autre voie de modernisation.
Un bioréacteur à membrane sépare l'eau traitée de la liqueur mélangée à l'aide d'une barrière physique à membrane plutôt que de recourir à la décantation conventionnelle des boues. Cela permet à la concentration de biomasse de dépendre moins des performances du clarificateur et peut prendre en charge un fonctionnement MLSS plus élevé dans un encombrement réduit.
Le MBR peut également produire des effluents à faible teneur en matières en suspension et est particulièrement intéressant lorsque la réutilisation de l'eau, des terres limitées ou une qualité de rejet plus stricte font partie de l'objectif d'expansion.
Le compromis est une complexité système plus élevée. Les modules à membrane nécessitent un décapage à l'air, un pompage du perméat, un contrôle de l'encrassement, un nettoyage chimique périodique, un prétraitement et un éventuel remplacement de la membrane.
| Option de mise à niveau | Le plus approprié quand |
|---|---|
| MBBR/IFAS | Plus de capacité biologique ou de biomasse nitrifiante est nécessaire |
| Aération Upgrade | Le transfert d’oxygène limite la capacité de traitement |
| Optimisation MLSS/SRT | Le système à boues activées a encore une marge d'exploitation |
| Mise à niveau du clarificateur | La capacité de séparation hydraulique ou solide est limitée |
| Mise à niveau du MBR | Une rétention élevée de la biomasse, une qualité élevée des effluents ou une réduction de l'empreinte écologique sont nécessaires |
Optimiser le contrôle des processus avant d'ajouter du matériel
Tous les problèmes de capacité ne nécessitent pas de nouveaux équipements. Un mauvais contrôle du processus peut donner l’impression qu’une installation existante est physiquement sous-dimensionnée, même si un potentiel de traitement important reste inutilisé.
L'aération est un exemple courant. Le fonctionnement continu des ventilateurs à une puissance fixe peut entraîner un excès d'oxygène pendant les périodes de faible charge et un manque d'oxygène pendant les périodes de pointe. Le contrôle basé sur l’OD ou le contrôle de l’aération à base d’ammoniac peut mieux adapter l’apport en oxygène à la demande biologique réelle.
La gestion du SRT est tout aussi importante. Un gaspillage excessif des boues peut réduire la biomasse nitrifiante, tandis qu'un gaspillage insuffisant peut créer des problèmes de MLSS et de clarification inutilement élevés. L'optimisation du RAS, du WAS, du recyclage interne, du dosage du carbone et de l'aération intermittente peut parfois permettre de retrouver une stabilité significative du processus.
L’égalisation des flux peut également aider. Une usine peut être capable de traiter la charge quotidienne en moyenne, mais tomber en panne lors de courts débits de pointe ou d'événements de forte intensité. L'égalisation redistribue ces pics au fil du temps, réduisant ainsi le stress sur le réacteur biologique et le clarificateur.
Contrôle biologique
SRT, MLSS, F/M, gaspillage des boues et gestion des retours boues.
Contrôle de l'aération
Contrôle de l'OD, aération à base d'ammoniac, équilibrage du débit d'air et optimisation du ventilateur.
Commande hydraulique
Égalisation des débits, gestion des débits de pointe et optimisation du recyclage interne.
Surveillance en ligne
NH₄-N, NO₃-N, DO, débit, turbidité et autres indicateurs de processus.
Comment identifier le véritable goulot d'étranglement avant de choisir une rénovation
Une mise à niveau réussie de la capacité d’une usine devrait commencer par un audit des processus plutôt que par la sélection des équipements. L’objectif est de déterminer exactement ce qui empêche l’usine existante de traiter davantage de débit ou de charge.
Vérifier le chargement influent
Examinez le débit moyen et maximal, la DCO, la DBO, les MES, l'ammoniac, l'azote total, la température, les rejets industriels et l'historique des charges de choc.
Vérifier les performances biologiques
Examinez MLSS, MLVSS, SRT, rapport F/M, DO, élimination de l'ammoniac, production de boues et performances de traitement saisonnier.
Vérifier la capacité d'aération
Mesurez le débit d'air, la charge du ventilateur, la perte de pression du diffuseur, la distribution d'OD et les limites réelles de transfert d'oxygène.
Vérifier les éclaircissements
Examinez le débit de débordement en surface, la charge en matières solides, la profondeur du lit de boues, le SVI, l'opération de retour des boues et les matières en suspension dans les effluents.
Adaptez la rénovation à la contrainte
La limitation de la biomasse peut orienter vers le MBBR ou l'IFAS ; limitation de l'oxygène vers les améliorations de l'aération ; limitation de la clarification vers des améliorations de la séparation des solides ; et l'empreinte ainsi que les contraintes de qualité des effluents vers le MBR.
Modernisation ou construction de nouveaux réservoirs : comment comparer les aspects économiques
La modernisation est intéressante car elle réduit les travaux de génie civil, mais elle ne constitue pas automatiquement la solution la moins coûteuse dans chaque usine. Les réservoirs existants doivent être structurellement solides, le système hydraulique doit rester fonctionnel et l'augmentation de capacité requise doit être réalisable dans le cadre des contraintes de processus existantes.
La construction de nouveaux réservoirs peut nécessiter des excavations, du béton armé, de nouvelles canalisations, des terrains, des permis, une infrastructure électrique et de longues périodes de construction. Cela peut également s'avérer difficile dans l'exploitation d'usines où il est peu pratique de contourner les eaux usées ou d'arrêter les chaînes de traitement.
Une rénovation peut plutôt impliquer des supports de biofilm, des écrans de rétention, le remplacement du diffuseur, des modifications du ventilateur, des modules de membrane, des équipements de clarification, des pompes, des commandes et des travaux d'installation temporaires.
| Facteur | Nouveau réservoir biologique | Rénovation d'usines existantes |
|---|---|---|
| Besoin en terrain | Généralement élevé | Faible |
| Construction civile | Important | Généralement limité |
| Période de construction | Plus longtemps | Souvent plus court |
| Interruption du processus | Potentiellement significatif | Souvent plus facile à mettre en phase |
| Capacité d'expansion ultime | Élevé | Limité par l’infrastructure existante |
| Exigence d'ingénierie | Conception de nouveaux processus | Audit détaillé des limitations existantes |
Les aspects économiques de la modernisation sont souvent plus solides là où les terrains sont chers, où l'expansion civile est difficile, où l'usine doit rester opérationnelle en permanence et où l'augmentation de capacité requise est suffisamment modérée pour être obtenue grâce à un inventaire de biomasse plus élevé, un transfert d'oxygène amélioré, une meilleure séparation des solides ou un contrôle de processus plus efficace.
Besoin de plus de capacité pour votre usine de traitement des eaux usées existante ?
Avant de construire un autre réservoir biologique, évaluez si le système existant est limité par la biomasse, l'aération, la clarification, la séparation par membrane ou le contrôle des processus. NIHAO peut prendre en charge les évaluations de mise à niveau de capacité impliquant des supports MBBR, des diffuseurs d'aération, des décanteurs tubulaires et des solutions de membrane MBR.
Pour un premier examen, indiquez votre capacité de traitement actuelle et cible, les dimensions du réservoir, la DCO/DBO de l'influent, la concentration d'ammoniac ou d'azote total, la MLSS actuelle, la configuration de l'aération, les dimensions du clarificateur et la qualité des effluents requise.
Foire aux questions
Une station d’épuration existante peut-elle augmenter sa capacité sans ajouter un nouveau réservoir biologique ?
Oui, dans de nombreux cas. Les stratégies possibles incluent la modernisation du MBBR ou de l'IFAS, l'amélioration de l'aération, une rétention plus élevée de la biomasse, l'optimisation du contrôle des processus, l'amélioration de la clarification et le MBR. L’approche correcte dépend du goulot d’étranglement réel du processus.
Quelle capacité supplémentaire une mise à niveau MBBR peut-elle fournir ?
Il n’existe pas de pourcentage universel. Le gain de capacité dépend de la charge en affluent, du traitement cible, de la surface du média, du taux de remplissage, de l'aération, de la température, du volume du réservoir existant et du fait que la modernisation soit conçue principalement pour l'élimination du carbone ou la nitrification.
Quelle est la différence entre la rénovation MBBR et IFAS ?
Le MBBR repose principalement sur des supports de biofilm à croissance attachée, tandis que l'IFAS combine un biofilm attaché avec des boues activées en suspension conventionnelles. L'IFAS est généralement envisagé lorsqu'une usine de boues activées existante a besoin de biomasse supplémentaire sans abandonner le processus actuel de croissance suspendue.
Comment savoir si ma plante est limitée en biomasse ou en oxygène ?
Examinez l'OD, la charge du ventilateur, la distribution d'oxygène, le SRT, le MLSS, l'élimination de l'ammoniac et la charge organique. Si une biomasse suffisante est présente mais que l’OD reste insuffisante, l’aération peut être la principale contrainte. Si l’oxygène est adéquat mais que le traitement reste limité à la biomasse, une croissance supplémentaire attachée peut être plus appropriée.
Puis-je simplement augmenter le MLSS pour traiter davantage d’eaux usées ?
Seulement dans des limites pratiques. Un MLSS plus élevé augmente l'inventaire de biomasse, mais augmente également la demande en oxygène et la charge de solides du clarificateur secondaire. Un MLSS excessif peut entraîner une mauvaise décantation, des couvertures de boues plus élevées et un entraînement de solides.
L'ajout de médias MBBR augmentera-t-il la demande d'aération ?
Ça peut. Une biomasse plus active augmente la demande en oxygène, tandis que le mouvement des porteurs nécessite également un mélange adéquat. La capacité d’aération doit donc être vérifiée chaque fois qu’un média MBBR ou IFAS est ajouté à un bassin existant.
Les diffuseurs à fines bulles peuvent-ils augmenter la capacité de traitement des eaux usées ?
Ils peuvent aider lorsque le transfert d’oxygène est le facteur limitant. L'amélioration de l'efficacité du diffuseur peut augmenter l'oxygène disponible sans ajouter de volume au réservoir, bien que la capacité du ventilateur, les exigences de pression et les conditions des eaux usées doivent également être évaluées.
Quand le clarificateur secondaire devient-il le goulot d’étranglement après une amélioration biologique ?
Cela peut se produire lorsqu'un MLSS plus élevé ou un débit hydraulique accru augmente la charge de solides au-delà de la capacité pratique du clarificateur. Les symptômes comprennent une couche de boues montante, une mauvaise décantation et des MES élevées dans les effluents.
Quand faut-il envisager une rénovation MBR au lieu du MBBR ?
Le MBR peut être intéressant lorsque la séparation des solides, l’empreinte au sol, une concentration élevée de biomasse ou des effluents de haute qualité constituent des contraintes majeures. Le MBBR ou l'IFAS sont souvent plus appropriés lorsque l'objectif principal est d'ajouter de la capacité biologique au sein d'un réacteur existant.
Quelles informations sont nécessaires pour concevoir une modernisation de la capacité d’une station d’épuration des eaux usées ?
Les données utiles incluent le débit actuel et de pointe, la capacité cible, les dimensions du réservoir, la DCO/DBO, l'ammoniac, le TN, le TSS, la température, le MLSS, le SRT, l'OD, l'équipement d'aération, les dimensions du clarificateur, les caractéristiques de décantation des boues et les limites d'effluents requises.
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