Surmonter les problèmes des processus A²/O : voies techniques clés pour l'élimination simultanée de l'azote et du phosphore

Le procédé A²/O (anaérobie/anoxique/aérobie), avec ses principaux avantages d'écoulement simple, de faible investissement et de fonctionnement et de maintenance pratiques, occupe depuis longtemps une position dominante dans l'élimination biologique de l'azote et du phosphore pour les eaux usées urbaines, et est largement utilisé dans diverses usines de traitement des eaux usées urbaines. Cependant, en termes d'exploitation et de maintenance, de nombreuses stations d'épuration se sont retrouvées dans le même dilemme : le TN (azote total) et le TP (phosphore total) sont difficiles à atteindre simultanément, en particulier lors du traitement des eaux usées avec le faible rapport C/N répandu dans mon pays. Cela conduit à un cercle vicieux dans lequel l’élimination de l’azote entraîne un échec de l’élimination du phosphore, et l’élimination du phosphore entraîne un échec de l’élimination de l’azote, ce qui entraîne de fréquentes inspections et rectifications environnementales et des coûts d’exploitation et de maintenance constamment élevés.

Cet article, combinant trois documents techniques fondamentaux, abandonne les descriptions approximatives et part de l'essence du processus. Il décompose et explique en détail les principes du procédé A²/O, ses trois défauts inhérents, le mécanisme de base de l'élimination du phosphore par dénitrification et le schéma de modification optimal pour les eaux usées à faible C/N. Équilibrant professionnalisme et praticité, il peut être directement référencé et appliqué par les concepteurs, le personnel d’exploitation et de maintenance et les praticiens de la modification technique.

1. Flux de processus standard

Le cœur du procédé A²/O est la dénitrification et l'élimination simultanées du phosphore grâce au fonctionnement en série de trois réacteurs, combinés à la recirculation des boues et à la recirculation interne. Le débit standard est clair et traçable : Eau brute → Bassin anaérobie → Bassin anoxique → Bassin aérobie → Bassin de sédimentation secondaire → Effluent. L'ensemble du processus ne nécessite aucun équipement complexe, présente de faibles difficultés d'exploitation et de maintenance et convient aux applications à grande échelle-.

• Retour des boues : Décanteur secondaire → Bassin anaérobie

• Retour interne : Réservoir aérobie → Réservoir anoxique

2. Principe de réaction de base en trois -étapes (décomposant le rôle de chaque étape pour comprendre l'essence du processus)

(1) Stade anaérobie (pas d'oxygène moléculaire, pas d'azote nitrique)

• Les bactéries accumulatrices de polyphosphates (PAO) libèrent activement le phosphore stocké dans leur corps dans un environnement anaérobie sans nitrate-, tout en absorbant la DCO (matière organique biodégradable) facilement dégradable des eaux usées et en la convertissant en PHB (acide poly- -hydroxybutyrique) pour le stockage, réservant ainsi de l'énergie pour l'absorption ultérieure du phosphore ;

• S'il existe une petite quantité de nitrate au stade anaérobie (provenant principalement des boues renvoyées), les bactéries dénitrifiantes utiliseront préférentiellement la source de carbone résiduelle pour la dénitrification, consommant indirectement la source de carbone requise par les PAO, créant ainsi un risque potentiel d'élimination du phosphore ;

• Simultanément, les bactéries en fermentation décomposent la matière organique moléculaire de grande taille dans les eaux usées, difficile à dégrader, en acides gras volatils (AGV) qui sont facilement absorbés par les PAO, fournissant un substrat suffisant pour la synthèse du PHB par les PAO.

(2) Zone anoxique (sans oxygène moléculaire, contient de l'azote nitrique)

• Les bactéries dénitrifiantes utilisent le nitrate issu de la recirculation dans la zone aérobie comme accepteur d'électrons et la DCO résiduelle dans les eaux usées comme source de carbone pour réduire le nitrate en azote (N₂), complétant ainsi le processus de dénitrification. Il s’agit de l’étape essentielle de la suppression de TN.

• Certaines bactéries spéciales accumulatrices de polyphosphates-(c'est-à-dire les bactéries accumulatrices de polyphosphates dénitrifiantes-DNPAO) peuvent briser la compréhension traditionnelle de "l'absorption aérobie du phosphore", en utilisant le nitrate au lieu de l'oxygène comme accepteur d'électrons pour obtenir une absorption excessive de phosphore lors de la dénitrification. C’est l’élimination du phosphore par dénitrification sur laquelle nous nous concentrerons plus tard.

• Le débit de la recirculation interne détermine directement l'apport d'azote nitrique dans la zone anoxique et constitue un paramètre de contrôle clé affectant l'efficacité de la dénitrification et l'effet d'élimination du phosphore par la dénitrification.

(3) Stade aérobie (aérobie)

• Les bactéries nitrifiantes (bactéries autotrophes), dans un environnement avec suffisamment d'oxygène, oxydent l'azote ammoniacal (NH₄⁺-N) dans les eaux usées en nitrate (NO₃⁻-N), complétant ainsi la réaction de nitrification et fournissant suffisamment d'accepteurs d'électrons pour la dénitrification et l'élimination du phosphore au stade anoxique ;

• Les bactéries accumulatrices de polyphosphates (dont les DNPAO), dans un environnement aérobie, absorbent de grandes quantités de phosphore provenant des eaux usées et le stockent dans leur corps, ce qui entraîne une teneur en phosphore dépassant largement les niveaux normaux (c'est-à-dire une absorption excessive de phosphore), jetant ainsi les bases d'une élimination ultérieure du phosphore par rejet de boues ;

• Simultanément, les micro-organismes en phase aérobie dégradent davantage la DCO restante dans les eaux usées, éliminent l'azote généré pendant le processus de dénitrification, empêchent les boues de flotter et assurent des performances de décantation stables.

3. Voie finale d’élimination de l’azote et du phosphore

• Voie d'élimination de l'azote : Nitrification dans un réservoir aérobie (azote ammoniacal → nitrate) → Dénitrification dans un réservoir anoxique (nitrate → azote) → L'azote s'échappe naturellement, permettant une élimination totale de l'azote ;

De nombreuses usines de traitement des eaux usées estiment que le procédé A²/O est difficile à atteindre, attribuant à tort cela à une exploitation et une maintenance inadéquates. Cependant, ce n'est pas le cas-le problème principal est le conflit inhérent entre les trois types de micro-organismes fonctionnels (bactéries nitrifiantes, bactéries dénitrifiantes et bactéries accumulatrices de polyphosphates-bactéries accumulatrices). Leurs besoins en matière de milieu de vie et de nutriments sont complètement différents, ce qui les empêche de répondre simultanément à leurs conditions de croissance optimales au sein du même système de boues. Il s'agit de la contradiction de principe-que le processus A²/O a du mal à surmonter.

1. Concurrence des sources de carbone (le conflit central)

2. Conflit d’âge des boues

• Voie d'élimination du phosphore : libération de phosphore dans les réservoirs anaérobies (les bactéries accumulant des polyphosphates-libèrent le phosphore de leur corps) → Absorption de phosphore dans les réservoirs aérobies/anoxiques (les bactéries accumulant des polyphosphates-absorbent excessivement le phosphore des eaux usées) → Évacuation des boues en excès (éliminant les boues riches en phosphore-du système), complétant ainsi l'élimination totale du phosphore.

3. Interférence des nitrates avec l’élimination du phosphore anaérobie

Dans les procédés A²/O traditionnels, les boues de retour du bassin de décantation secondaire entrent directement dans l'étape anaérobie. Ces boues de retour transportent inévitablement une grande quantité de nitrates produits au stade aérobie. Une fois au stade anaérobie, ces nitrates perturbent complètement le processus d’élimination du phosphore de trois manières :

• Stade anaérobie : le besoin principal des bactéries accumulatrices de polyphosphates-est d'absorber la DCO facilement dégradable et de synthétiser le PHB pour la libération et l'absorption ultérieures du phosphore. C’est la base de l’élimination du phosphore et c’est indispensable.

• Les eaux usées urbaines de mon pays souffrent généralement d'un faible rapport C/N (DCO/TN < 4,5), ce qui entraîne une grave pénurie de sources de carbone. La compétition entre les deux types de micro-organismes pour les sources de carbone conduit inévitablement à une situation où l'un est fort et l'autre faible -une bonne élimination de l'azote entraîne une mauvaise élimination du phosphore ; une bonne élimination du phosphore entraîne une élimination excessive de l'azote.

• Stade anoxique : L'exigence principale des bactéries dénitrifiantes est d'utiliser la DCO comme donneur d'électrons pour convertir les nitrates en azote gazeux, complétant ainsi l'élimination de l'azote. Cela repose également sur COD.

1. Principe de dénitrification et d’élimination du phosphore

Pour remédier aux défauts inhérents au procédé A²/O, la solution la plus efficace est le « double usage du carbone ». L'objectif principal est d'utiliser les caractéristiques métaboliques particulières des bactéries accumulatrices de polyphosphates dénitrifiants- (DNPAO/DPB) pour permettre à une seule source de carbone de répondre simultanément aux besoins d'élimination de l'azote et du phosphore. Cela atténue fondamentalement la concurrence pour les sources de carbone et le conflit entre l'âge des boues. Le processus métabolique spécifique est le suivant :

• Bactéries accumulatrices de polyphosphates- : ce sont des bactéries hétérotrophes à croissance rapide. L’essentiel de leur élimination du phosphore consiste à éliminer le phosphore du système en évacuant les boues en excès. Par conséquent, un âge des boues relativement court (5-1) est requis. • 0d (0 jours) : un âge de boue trop long entraîne la re-libération du phosphore des bactéries accumulatrices de polyphosphate-, réduisant considérablement l'efficacité de l'élimination du phosphore.

• Bactéries nitrifiantes : Ce sont des bactéries autotrophes dont les taux de croissance et de reproduction sont extrêmement lents. Elles nécessitent un âge de boue relativement long (15 à 25 jours) pour survivre de manière stable et achever la réaction de nitrification. Un âge de boue trop court entraîne le rejet d’une grande quantité de bactéries nitrifiantes, rendant inefficace l’élimination efficace de l’azote ammoniacal.

• Le procédé A²/O utilise un seul système de boues, permettant de définir un seul âge de boue uniforme. Un âge de boue long pour maintenir la nitrification entraînera un gaspillage de phosphore, tandis qu'un âge de boue court pour maintenir l'élimination du phosphore entraînera un effondrement de la nitrification ; les deux ne peuvent pas être réalisés simultanément.

2. Paramètres clés pour l’activation A²/O de la dénitrification et de l’élimination du phosphore

1. Consommation préférentielle de sources de carbone : les bactéries dénitrifiantes utilisent le nitrate comme accepteur d'électrons, consommant préférentiellement de la DCO facilement dégradable au stade anaérobie, empêchant ainsi les bactéries accumulatrices de polyphosphates (PAB) d'obtenir suffisamment de carbone pour synthétiser le PHB.

2. Inhibition de la libération de phosphore par les PPA : les PPA nécessitent un environnement strictement anaérobie et sans nitrate-pour la libération de phosphore. La présence de nitrate inhibe directement le processus de libération du phosphore, conduisant même à une « absorption anaérobie du phosphore » anormale, empêchant l'absorption ultérieure du phosphore aérobie/anoxique et provoquant l'échec de l'élimination du phosphore.

3. Perturbation de l'environnement anaérobie : Les nitrates consomment l'environnement anaérobie au stade anaérobie lors de la dénitrification, inhibant indirectement l'activité métabolique des PPA.

Résultats pratiques de vérification : Sous le contrôle des paramètres ci-dessus, le taux d'absorption du phosphore au stade anoxique peut atteindre 69 %, ne nécessitant aucune source de carbone supplémentaire. L'efficacité de l'élimination de l'azote et du phosphore est simultanément améliorée, tandis que le taux d'aération dans la phase aérobie peut être réduit d'environ 20 %, ce qui permet d'économiser considérablement la consommation d'énergie opérationnelle.

De faibles rapports C/N sont courants dans les eaux usées urbaines de mon pays, avec des valeurs mesurées allant souvent de 3,1 à 5,9, bien en dessous des 4,5 requis pour une conformité stable aux normes A²/O. Même avec des paramètres de fonctionnement optimisés, il est peu probable qu'un seul procédé A²/O satisfasse systématiquement à la norme de rejet de classe A à long terme. Par conséquent, un processus combiné est nécessaire pour remédier fondamentalement à cette lacune inhérente.

• Stade anaérobie : les DNPAO, comme les bactéries ordinaires accumulant des polyphosphates-, libèrent le phosphore de leurs cellules tout en absorbant la DCO facilement biodégradable des eaux usées, synthétisant le PHB et le stockant dans leurs cellules, complétant ainsi la libération de phosphore et les réserves de sources de carbone.

La pratique des moteurs a prouvé que A²/O + BAF (Biological Aerated Filter) est actuellement la voie de mise à niveau la plus mature, la plus facile à mettre en œuvre et la plus rentable-. L'idée centrale est « une opération séparée de nitrification et d'élimination du phosphore », permettant aux deux types de micro-organismes de se développer dans leurs environnements optimaux, résolvant ainsi complètement les conflits d'âge des boues et la concurrence entre les sources de carbone.

• Principaux avantages : permet d'obtenir une dénitrification d'une part de source de carbone (PHB) = + élimination du phosphore, doublant directement l'utilisation de la source de carbone. Aucune source de carbone supplémentaire n’est nécessaire pour améliorer simultanément l’efficacité de la dénitrification et de l’élimination du phosphore, parfaitement adaptée aux eaux usées à faible rapport C/N.

• Stade anoxique : les DNPAO ne dépendent plus de l'oxygène mais utilisent le nitrate comme accepteur d'électrons, réduisant simultanément le nitrate en azote (terminant la dénitrification) et utilisant leur PHB stocké comme source d'énergie pour absorber l'excès de phosphore des eaux usées (terminant l'élimination du phosphore).

1. Principe de base : séparation de la nitrification et de l'élimination du phosphore

2. Résultats réels (C/N=4.2)

• Temps de Rétention des Boues (SRT) : Maîtrisé à environ 15 jours. Cet âge des boues satisfait aux besoins de croissance des bactéries nitrifiantes (garantissant l'efficacité de la nitrification) tout en équilibrant l'enrichissement et l'activité des DNPAO, évitant ainsi des âges de boues trop longs ou trop courts qui pourraient avoir un impact négatif sur l'efficacité du traitement.

• Taux de recirculation interne : contrôlé entre 3,0 et 3,5. À ce rapport, la concentration de nitrate dans l'effluent du réservoir anoxique est maintenue entre 1 et 3 mg/L, fournissant suffisamment d'accepteurs d'électrons pour les DNPAO sans provoquer une pénétration excessive de nitrate dans la zone anaérobie et interférer avec la libération de phosphore.

• Rapport volumique anoxique/anaérobie : une augmentation appropriée du rapport volumique de la zone anoxique prolonge le temps de séjour des DNPAO dans la zone anoxique, améliorant ainsi la dénitrification et l'élimination du phosphore.

• Contrôle strict des nitrates dans la section anaérobie : En optimisant la méthode de reflux, la concentration en nitrates dans la section anaérobie est contrôlée à<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.

3. Paramètres de fonctionnement optimaux

• Section A²/O (âge des boues courts 5 à 10 jours) : la nitrification est abandonnée et se concentre sur "la libération de phosphore anaérobie + l'élimination du phosphore par dénitrification anoxique". Le réglage d'âge court des boues garantit une élimination efficace du phosphore par les bactéries accumulant les polyphosphates- via le rejet des boues, tandis que les DNPAO utilisent leur PHB interne pour la dénitrification, maximisant ainsi l'utilisation de sources limitées de carbone.

• Conception de reflux interne : la liqueur nitrifiée (riche en nitrate) produite dans la section BAF est refluée vers la section anoxique A²/O, fournissant suffisamment d'accepteurs d'électrons pour les DNPAO, formant une boucle fermée de « nitrification BAF → élimination du phosphore par dénitrification A²/O », atteignant les normes simultanées d'élimination de l'azote et du phosphore.

• Etage BAF (Long Sludge Age 30d+) : Dédié à la nitrification. Le matériau de remplissage du réservoir BAF forme un biofilm, permettant aux bactéries nitrifiantes de se développer de manière stable sur la membrane. Le long vieillissement des boues garantit une nitrification optimale, permettant une élimination de près de 100 % de l’azote ammoniacal, résolvant ainsi complètement la nitrification insuffisante.

1. Processus UCT/MUCT (Résoudre les interférences de nitrate)

• Qualité des effluents : DCO=34mg/L, TN=13.3mg/L, TP=0.1mg/L, tous répondant à la « Norme de rejet de polluants pour les usines de traitement des eaux usées municipales » (norme GB (18918-2002) de classe A ;

• Qualité de l'eau d'entrée (simulant des conditions de faible rapport C/N, C/N=4.2) : DCO=240mg/L, TN=57mg/L, TP=5.1mg/L ;

• Activité microbienne : la proportion de bactéries accumulatrices de polyphosphates dénitrifiants-(DNPAO) dans le système atteint 40,5 %, améliorant considérablement l'utilisation de la source de carbone, éliminant ainsi le besoin d'ajouter une source de carbone externe supplémentaire.

• Efficacité d'élimination : taux d'élimination de la DCO 85,8 %, taux d'élimination du TN 76,9 %, taux d'élimination du TP 98 %, effets stables d'élimination de l'azote et du phosphore sans fluctuations ;

2. Processus A²/O inversé (source de carbone prioritaire pour l’élimination de l’azote)

Modification de base : ajustement de la séquence des trois sections du réservoir sur anoxique → anaérobie → aérobie, ne nécessitant aucun nouvel équipement, ajustant uniquement la direction du débit d'eau, adapté à la modernisation à faible coût des installations existantes.

• Taux de retour des boues : 100 %, garantissant une concentration stable des boues dans la section A²/O et fournissant une biomasse suffisante pour les DNPAO et les organismes accumulateurs de polyphosphates- (PAO).

• Taux de rendement interne : Contrôlé à 250 %. Ce rapport fournit suffisamment de nitrates à la section anoxique A²/O tout en évitant une consommation d'énergie excessive due à un rendement excessif, offrant ainsi le meilleur rapport coût-efficacité-.

• Contrôle microbien : En optimisant les paramètres de fonctionnement, la proportion de PAO dénitrifiantes dans le système est stabilisée à 40,5 %, maximisant la dénitrification et l'élimination du phosphore.

• Contrôle de l'oxygène dissous (OD) : A²/O section aérobie DO=1–2 mg/L (répondant aux exigences d'absorption de phosphore des PAO et évitant un gaspillage d'énergie excessif dû à un OD élevé) ; Section BAF DO=4–5 mg/L (répondant aux exigences de nitrification des bactéries nitrifiantes et assurant une élimination complète de l'azote ammoniacal).

3. Processus JHB

Modification du noyau : un réservoir de pré-dénitrification anoxique est ajouté le long du chemin des boues renvoyées vers l'étape anaérobie. Les boues renvoyées entrent d'abord dans ce réservoir, où elles subissent une pré-dénitrification en utilisant une partie de la DCO influente, réduisant encore la teneur en nitrates des boues.

• Modification du noyau : le processus A²/O traditionnel de "boues renvoyées à l'étape anaérobie" est ajusté à "boues renvoyées au réservoir anoxique", permettant aux boues renvoyées de subir d'abord une dénitrification lors de l'étape anoxique, consommant les nitrates qu'elles transportent.

• Effet de modification : après dénitrification au stade anoxique, les boues entrant dans le stade anaérobie sont presque exemptes de nitrate-, et l'efficacité de libération du phosphore au stade anaérobie est augmentée de plus de 50 %, résolvant fondamentalement le problème de l'interférence des nitrates avec l'élimination du phosphore. Le procédé MUCT, en particulier, ajoute deux réservoirs anoxiques pour séparer davantage la dénitrification des boues de la dénitrification des liqueurs mixtes, ce qui entraîne des performances plus stables et convient aux stations d'épuration des eaux usées présentant de graves interférences avec les nitrates.

• Allocation prioritaire des sources de carbone : l'eau brute entre d'abord dans la zone anoxique, où les bactéries dénitrifiantes obtiennent préférentiellement des sources de carbone, améliorant considérablement l'efficacité de la dénitrification et résolvant le problème de dénitrification insuffisante sous de faibles rapports C/N.

• Avantages d'exploitation et de maintenance : processus simplifié, pas besoin d'équipement supplémentaire ni de coûts d'exploitation et de maintenance, cycle de modification court et faible difficulté de mise en œuvre, ce qui en fait l'une des solutions privilégiées pour la mise à niveau des installations existantes.

• Élimination du phosphore plus stable : les bactéries accumulant des polyphosphates-sont dans un "état de faim" dans la zone anoxique. Après être entrés dans la zone anaérobie, ils absorbent les sources de carbone et libèrent le phosphore plus efficacement, ce qui entraîne une absorption aérobie plus complète du phosphore et une élimination plus stable du phosphore.

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Notes complémentaires : Ce procédé répond spécifiquement au problème de teneur trop élevée en nitrates dans les boues retournées, avec de meilleures performances de dénitrification que le procédé UCT, mais nécessite une cuve supplémentaire. Il convient aux usines de traitement des eaux usées ayant des exigences élevées en matière de dénitrification et pouvant être modifiées.

1. Principe fondamental

Libération anaérobie du phosphore → Élimination de l'azote anoxique + Élimination du phosphore par dénitrification → Nitrification aérobie + Absorption du phosphore, trois étapes travaillant en synergie, s'appuyant sur les boues et la recirculation interne en boucle fermée ;

2. Obstacles inhérents

La concurrence entre les sources de carbone, les écarts d'âge des boues et l'interférence des nitrates -ces trois éléments ne peuvent pas être résolus par une exploitation et une maintenance conventionnelles et constituent des obstacles majeurs à la mise en conformité ;

3. Solution de base

Utilisation de bactéries accumulatrices de polyphosphates dénitrifiants-(DNPAO) pour une "double utilisation du carbone" : cela atténue les pénuries de sources de carbone tout en réalisant simultanément l'élimination de l'azote et du phosphore.

4. Indispensable pour les faibles rapports C/N

Le processus combiné A²/O + BAF sépare la nitrification et l'élimination du phosphore, permettant à chacun d'atteindre des performances optimales et d'atteindre systématiquement les normes de catégorie A.

5. Priorité à la rénovation

Les procédés UCT et A²/O inversé offrent un faible coût, une facilité de mise en œuvre et ne nécessitent aucune démolition ou reconstruction majeure, ce qui les rend adaptés à une mise à niveau rapide des usines existantes.