L'objectif principal du traitement des eaux usées urbaines est d'éliminer les polluants tels que la DCO, la DBO₅, le TN et le TP des eaux usées afin de répondre aux normes de rejet (respect général de la norme de classe A de la « Norme de rejet des polluants pour les usines de traitement des eaux usées urbaines » GB 18918-2002). Les processus courants actuels sont centrés sur le traitement biologique, combiné avec des unités de prétraitement et de traitement avancé, formant un processus complet de « prétraitement - traitement de base - traitement avancé - élimination des boues ». Ce qui suit fournit une introduction détaillée aux six processus les plus largement utilisés, couvrant leurs principes, leurs paramètres clés, leurs avantages et inconvénients, ainsi que les scénarios applicables, tout en considérant également les détails techniques et la faisabilité technique.
I. Procédé de base classique : procédé traditionnel à boues activées
1. Principe du processus
En utilisant des boues activées comme noyau, dans des conditions aérobies, les micro-organismes adsorbent et dégradent les polluants organiques présents dans les eaux usées, permettant ainsi la purification des eaux usées grâce à la séparation des boues-eau. Processus de base : Tamis à barres → Chambre à sable → Bassin de sédimentation primaire → Bassin d'aération → Bassin de sédimentation secondaire → Désinfection et décharge ; les boues résiduelles sont concentrées, déshydratées puis évacuées.
2. Paramètres de conception clés
* Temps de Rétention Hydraulique (HRT) : 8-12h, avec HRT supérieur ou égal à 6h dans le bassin d'aération ;
* Temps de rétention des boues (SRT) : 3-5d (applicable uniquement à l'élimination des matières organiques, sans fonctions d'élimination de l'azote et du phosphore) ;
* Chargement organique (F/M) : 0,2-0,4 kgBOD₅/(kgMLSS·d) ;
* Concentration d'OD dans le bassin d'aération : 2-3 mg/L, en utilisant une aération forcée ou une aération mécanique.
3. Avantages et inconvénients
* Avantages : technologie mature, fonctionnement stable, haute efficacité dans le traitement des matières organiques (taux d'élimination de la DBO₅ de 85 % à 90 %) et coût d'investissement relativement faible ;
* Inconvénients : absence de fonctions d'élimination de l'azote et du phosphore, ce qui rend difficile le respect des normes actuelles de classe A ; production importante de boues, sujettes au gonflement filamenteux ; une empreinte au sol importante et une consommation d'énergie relativement élevée.
4. Scénarios applicables
* Adapté aux anciennes installations de traitement des eaux usées-construites avec de faibles normes de rejet, ou comme unité de prétraitement des eaux usées industrielles ; actuellement, il est rarement utilisé seul dans les nouveaux projets, mais surtout comme module de base pour l'amélioration des processus.
II. Processus généraux d'élimination simultanée de l'azote et du phosphore : A²O et processus modifiés
1. Principe du processus
Le processus A²O (anaérobie-anoxique-aérobie) permet d'éliminer simultanément l'azote et le phosphore grâce à l'action synergique de trois zones : les bactéries accumulatrices de phosphore-libèrent du phosphore dans la zone anaérobie, les bactéries dénitrifiantes éliminent l'azote dans la zone anoxique et les bactéries nitrifiantes nitrifient et les bactéries accumulatrices de phosphore-absorbent le phosphore dans la zone aérobie. La version modifiée (avec l'ajout d'un réservoir pré-anoxique) résout le problème de compétition des sources de carbone entre la dénitrification et l'élimination du phosphore, améliorant ainsi l'effet d'élimination de l'azote et du phosphore. Processus de base : Prétraitement → Réservoir anaérobie → Réservoir pré-anoxique → Réservoir anoxique → Réservoir aérobie → Bassin de sédimentation secondaire → Traitement avancé → Décharge.
2. Paramètres de conception clés
THS total : 10-12 h, rapport THS anaérobie : anoxique : aérobie=1 : 3 : 5 ;
Temps de rétention des boues (SRT) : 10 à 12 jours à température ambiante, 15 jours à basse température (pour équilibrer les exigences de nitrification et d'élimination du phosphore) ;
Taux de recirculation : taux de recirculation de la liqueur mélangée 200 % à 300 % (fréquence variable réglable), taux de recirculation des boues 50 % à 80 % ;
DO Contrôle : Zone anaérobie Inférieure ou égale à 0,2 mg/L, zone anoxique Inférieure ou égale à 0,5 mg/L, zone aérobie 2-3 mg/L.
3. Avantages et inconvénients
Avantages : Excellente efficacité d'élimination de l'azote et du phosphore (taux d'élimination du TN de 70 % à 80 %, taux d'élimination du TP de 80 % à 90 %), répondant systématiquement aux normes de classe A ; technologie mature, coût d'exploitation modéré, adaptée aux eaux usées municipales avec de grandes fluctuations de la qualité de l'eau ;
Inconvénients : Il existe des incohérences dans les paramètres entre l'élimination de l'azote et du phosphore (SRT, conflit entre les exigences du rapport de recirculation) ; les eaux usées à faible-source de carbone nécessitent l'ajout d'une source de carbone externe ; empreinte légèrement plus grande.
4. Scénarios applicables
Actuellement, le procédé préféré pour la nouvelle construction, l'agrandissement et la modernisation des usines de traitement des eaux usées urbaines, particulièrement adapté aux projets de traitement des eaux usées municipales nécessitant un contrôle simultané des émissions d'azote et de phosphore. Il peut également être adapté aux eaux usées complexes contenant de faibles quantités d’eaux usées industrielles (un ajustement du coefficient de biodégradabilité est nécessaire).
III. Processus compact et à haute-efficacité : processus MBR (bioréacteur à membrane)
1. Principe du processus
Ce processus combine la technologie de séparation par membrane avec le traitement biologique, en remplaçant le bassin de décantation secondaire par des modules à membrane pour obtenir une séparation efficace des boues-eau. Flux central : Prétraitement → Cuve biologique (les configurations A²O, SBR, etc. peuvent être utilisées) → Cuve à membrane → Désinfection et évacuation. Les modules membranaires peuvent retenir les micro-organismes, maintenir une concentration élevée de MLSS dans le réservoir biologique et améliorer la nitrification et l'élimination des matières organiques.
2. Paramètres de conception clés
Concentration MLSS : 6 000-8 000 mg/L (nettement plus élevée que les procédés traditionnels) ;
Temps de rétention des boues (SRT) : 20-30 jours (nitrification améliorée, adaptée aux eaux usées à basse température et à faible C/N) ;
Flux membranaire : 10-20 L/(m²·h), nécessitant un nettoyage physique/chimique régulier ;
Consommation d'énergie : 0,6-1,0 kWh/m³ (y compris la consommation d'énergie de l'aération et de l'aspiration par membrane).
3. Avantages et inconvénients
Avantages : Excellente qualité des effluents (TN inférieur ou égal à 8 mg/L, TP inférieur ou égal à 0,3 mg/L), répondant aux exigences de mise à niveau vers une qualité d'eau proche de la -classe IV ; l'empreinte n'est que de 1/3 à 1/2 de celle des processus traditionnels ; aucun risque de perte de boues, stabilité opérationnelle élevée ;
Inconvénients : Coût élevé du module membranaire (représentant 30 à 40 % de l'investissement total) ; maintenance complexe (sujet au colmatage), coûts d'exploitation élevés ; consommation d’énergie plus élevée que les processus biologiques traditionnels.
4. Scénarios applicables
Convient aux zones urbaines avec des ressources foncières limitées, aux projets de modernisation avec des normes d'effluents strictes ou à des scénarios spéciaux de qualité de l'eau tels que des températures basses et un faible rapport C/N ; également applicable au traitement décentralisé des eaux usées (par exemple, communautés résidentielles, parcs industriels).
IV. Processus résistant aux charges de choc : processus de fossé d'oxydation
1. Principe du processus
Grâce à un réacteur à fossé en forme d'anneau-, les eaux usées circulent dans le fossé à travers des brosses ou des disques rotatifs pour l'aération, créant ainsi des zones aérobies et anoxiques alternées pour obtenir une dégradation et une dénitrification de la matière organique. Les configurations courantes comprennent les fossés d'oxydation Carrousel, les fossés d'oxydation Orbal et les fossés d'oxydation intégrés (y compris les bassins de sédimentation secondaires).
2. Paramètres de conception clés
HRT total : 15-25h (long temps de rétention hydraulique, forte résistance aux charges de choc) ;
Temps de rétention des boues (SRT) : 10-20d (adapté aux exigences d'élimination de l'azote) ;
Charge organique (F/M) : 0,05-0,15 kgBOD₅/(kgMLSS·d) ;
Oxygène dissous : Distribution progressive dans le fossé (2-3mg/L en zone aérobie, 0,5-1mg/L en zone anoxique).
3. Avantages et inconvénients
Avantages : Résistance extrêmement forte aux charges de choc, adaptée aux eaux usées présentant de grandes fluctuations de la qualité et de la quantité de l'eau ; opération et gestion simples, faibles coûts de maintenance ; bon effet d'élimination de l'azote (taux d'élimination du TN 70 % à 75 %) ;
Inconvénients : Faible effet d’élimination du phosphore (nécessite une élimination chimique auxiliaire du phosphore) ; grande empreinte au sol, consommation d'énergie élevée ; flexibilité opérationnelle insuffisante.
4. Scénarios applicables
Convient aux stations d'épuration des petites et moyennes villes-(volume de 50 000 à 500 000 m³/j), aux eaux usées complexes avec de grandes fluctuations de la qualité de l'eau (y compris une petite quantité d'eaux usées industrielles) ou aux projets avec des capacités d'exploitation et de gestion limitées.
V. Processus intermittents flexibles : SBR (Sequencing Batch Reactor) et processus modifiés
1. Principe du processus
Utilisant un réacteur intermittent, cinq étapes sont réalisées dans le même réservoir : affluent, aération (aérobie), sédimentation, rejet des effluents et période d'inactivité. La dégradation de la matière organique, l'élimination de l'azote et du phosphore sont obtenues grâce à une allocation de temps. Les versions modifiées (procédés CAST, CASS) ajoutent une zone de sélection et une zone de pré-réaction pour améliorer les performances de décantation des boues et l'efficacité de l'élimination du phosphore.
2. Paramètres de conception clés :
Un cycle de fonctionnement : 4 à 6 heures (dont 2 à 3 heures d'aération et 1 à 1,5 heures de sédimentation) ;
Temps de rétention des boues (SRT) : 10-15 jours ;
Concentration MLSS : 3 000 à 5 000 mg/L ;
Rapport de drainage : 1/3-1/2 (chaque drainage ne doit pas dépasser 1/2 du volume du réservoir).
3. Avantages et inconvénients
Avantages : Faible encombrement (pas besoin de bassin de décantation secondaire séparé) ; fonctionnement flexible, avec des paramètres de cycle réglables en fonction de la qualité de l'eau ; adapté aux volumes d'eau petits à moyens, permettant l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore.
Inconvénients : Exigences élevées en matière de contrôle automatisé (nécessite un contrôle précis du timing de chaque étape) ; stabilité insuffisante de la qualité des effluents, facilement affectée par les paramètres d'exploitation ; usure rapide des équipements (démarrages fréquents-arrêts des vannes et des pompes).
4. Scénarios applicables
Convient aux stations d'épuration des eaux usées urbaines de petite et moyenne taille (volume d'eau inférieur ou égal à 100 000 m³/j), aux projets de traitement des eaux usées décentralisés (tels que les communautés et les parcs industriels) ou aux scénarios avec des fluctuations importantes de la qualité de l'eau nécessitant un ajustement flexible des modes de fonctionnement.
VI. Nouveau procédé à-économie d'énergie et à haute-efficacité : processus de multiplication biologique BioDopp
1. Principe du processus
Intègre toutes les étapes de traitement biologique (dégradation de la DCO, élimination de l'azote, élimination du phosphore, stabilisation des boues) dans un seul réservoir biologique. Grâce à une conception zonée et à un système d'aération à haute efficacité-, l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore et la réduction des boues sont obtenues. Le point fort est le système d'aération BioDopp (aération à mousse fine sur une grande surface), qui a une efficacité de transfert d'oxygène élevée et est facile à entretenir.
2. Paramètres de conception clés
Consommation d'énergie : 0,075 kWh/m³ (nettement inférieure aux processus traditionnels, démontrant des avantages substantiels en matière d'économie d'énergie );
Concentration MLSS : 8 g/L (concentration élevée de boues, améliorant l'efficacité du traitement) ;
Efficacité de transfert d'oxygène : 5 kgO₂/kWh, demande en oxygène 0,2-0,3 mg/L ;
HRT total : 8 à 12 h, adapté aux besoins courants de traitement des eaux usées municipales.
3. Avantages et inconvénients
Avantages : Effet d'économie d'énergie exceptionnel-(la consommation d'énergie ne représente que 1/5-1/8 des processus traditionnels) ; intégration élevée, faible encombrement ; faible production de boues, éliminant le besoin d'une élimination complexe des boues ; entretien facile du système d'aération (peut être nettoyé en ligne, sans temps d'arrêt) ; Inconvénients : seuil technique élevé, les équipements de base dépendent des importations ; adapté à des qualités d’eau spécifiques, l’adaptabilité aux eaux usées riches en sel et récalcitrantes nécessite une vérification plus approfondie.
4. Scénarios applicables
Convient aux usines de traitement des eaux usées municipales nouvellement construites (poursuivant les économies d'énergie et la réduction de la consommation) et aux projets de traitement des eaux usées des parcs industriels. Il a été appliqué avec succès en Allemagne, en République tchèque et dans les provinces chinoises de Shanghai et du Hebei.
VII. Logique fondamentale de la sélection des processus
La sélection des procédés pour les usines de traitement des eaux usées urbaines nécessite une prise en compte approfondie de cinq facteurs clés : les caractéristiques de la qualité de l'eau, les normes de rejet, le volume d'eau, les ressources foncières et les coûts d'exploitation. La logique de base est la suivante :
- Normes de qualité de l'eau et de rejet : pour l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore afin de répondre aux normes de classe A, les procédés A²O et MBR modifiés sont préférés ; pour l'amélioration d'une qualité d'eau proche de la classe IV, les procédés MBR sont préférés ; pour la qualité de l'eau avec de grandes fluctuations, les procédés de fossé d'oxydation et de SBR modifiés sont préférés.
- Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500 000 m³/j) privilégier les procédés A²O modifiés et fossés d'oxydation ; les stations d'épuration des eaux usées de petite et moyenne taille- (10 000 à 500 000 m³/j) peuvent choisir les procédés A²O, SBR modifié ou BioDopp ; projets décentralisés (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
- Terrain et coûts : dans les zones urbaines centrales où les terrains sont rares, les processus MBR, SBR et BioDopp sont privilégiés ; pour les budgets limités, les procédés A²O modifiés et fossés d’oxydation sont privilégiés ; pour des économies d'énergie à long terme-, les processus BioDopp peuvent être envisagés.
- Exploitation et gestion : pour les usines dont les capacités opérationnelles et de gestion sont limitées, les fossés d'oxydation et les procédés A²O modifiés (simples à exploiter) sont préférés ; pour ceux qui ont des niveaux d’automatisation plus élevés, les processus MBR et SBR modifiés conviennent.
En résumé, le procédé A²O modifié, avec ses avantages d'élimination stable de l'azote et du phosphore, son coût modéré et sa grande adaptabilité, reste le choix principal pour les stations d'épuration des eaux usées urbaines ; le processus MBR convient aux exigences de mise à niveau et de mise en page compacte ; et des procédés plus récents tels que BioDopp offrent de nouvelles orientations en matière d'économie d'énergie et de réduction des émissions, et leurs scénarios d'application s'élargiront progressivement à l'avenir.
