Le fonctionnement du procédé à boues activées nécessite le bon contrôle de nombreux paramètres, dont le contrôle du MLSS, l'un des indicateurs les plus fréquemment utilisés dans l'exploitation quotidienne des systèmes d'assainissement.
1. Définition du MLSS
La concentration des boues activées fait référence à la teneur en matières en suspension dans la liqueur mélangée à la sortie du bassin d'aération, désignée par le symbole MLSS, avec des unités de mg/L. Il permet de mesurer la quantité de boues activées dans le bassin d'aération. Le montant total du MLSS comprend les quatre aspects suivants :
Microorganismes actifs ;
Matière organique non-biodégradable adsorbée sur les boues activées ;
Résidus d'auto--oxydation microbienne ;
Matière inorganique.
Pendant l'exploitation, il est particulièrement important de noter que MLSS fait référence uniquement à la concentration de la liqueur mélangée dans le bassin d'aération, excluant la concentration de la liqueur mélangée dans le bassin de décantation secondaire. De plus, lors du contrôle de la concentration de liqueur mélangée dans le bassin d'aération, il est crucial d'utiliser la concentration de la liqueur mélangée à la sortie du bassin d'aération comme étalon pour mesurer la concentration de boues activées dans l'ensemble du bassin d'aération.
2. Relation entre la concentration des boues et d'autres indicateurs de contrôle
1. Relation entre la concentration des boues activées et l’âge des boues
L'âge des boues est un moyen opérationnel d'atteindre l'objectif d'âge des boues en éliminant les boues activées. Une plage raisonnable de contrôle de la concentration des boues activées peut être donnée grâce à un âge raisonnable des boues et au rapport nourriture-à-microbes. En effet, si la concentration des boues activées est augmentée de manière excessive, l'âge des boues sera particulièrement long, dépassant la valeur d'âge des boues normalement contrôlée, même lorsque la concentration en matière organique dans l'influent n'est pas élevée. Cela indique clairement que la concentration des boues activées est contrôlée trop élevée, ce qui est beaucoup plus précis que de juger si la concentration des boues activées doit être contrôlée sur la base de sa valeur absolue.
2. Relation entre la concentration des boues activées et la température de l'eau
La croissance, la reproduction et le métabolisme des boues activées dans le bassin de traitement biologique sont étroitement liés à la température de l’eau. Pour chaque diminution de 10 degrés de la température de l'eau, l'activité des boues activées diminuera de moitié ; lorsque la température de l'eau est inférieure à 10 degrés, l'effet du traitement est clairement médiocre. Pour résoudre ce problème, la concentration des boues activées peut être ajustée pour faire face aux changements de température de l’eau :
Lorsque la température de l'eau est basse, la concentration des boues activées peut être augmentée pour compenser l'impact négatif de la réduction de l'activité des boues activées, obtenant ainsi une efficacité d'élimination accrue à basse température de l'eau.
Lorsque la température de l’eau est élevée, l’activité des boues activées est vigoureuse. Une concentration trop élevée de boues activées est préjudiciable à la décantation des boues activées. Dans ce cas, la réduction de la concentration des boues activées peut empêcher la formation de flocs instables et de surnageants troubles.
3. La relation entre la concentration des boues activées et le taux de décantation des boues activées
La concentration des boues activées affecte le taux de décantation final. Une concentration plus élevée de boues activées entraîne un taux de décantation final plus élevé, et vice versa. En effet, une concentration plus élevée de boues activées conduit à une plus grande quantité biologique, ce qui entraîne un taux de décantation plus élevé après compression et sédimentation. Une différence clé par rapport aux autres facteurs susceptibles d'augmenter le taux de décantation est d'observer si la boue activée comprimée est dense et si sa couleur est brun foncé. Dans les cas où une concentration accrue de boues non activées- conduit à un taux de décantation plus élevé, cela est généralement dû à un mauvais compactage et à une couleur plus terne.
Bien entendu, une concentration trop faible en boues activées affecte également de manière significative le taux de décantation. Cependant, cela n'est souvent pas dû à une diminution intentionnelle de la concentration des boues activées par les exploitants, mais plutôt à une concentration de matière organique trop faible dans l'influent. Dans de tels cas, les exploitants, estimant que la concentration des boues activées est trop faible, tentent de l'augmenter, ce qui entraîne un vieillissement des boues activées. L'observation finale du taux de décantation révélera les signes typiques du vieillissement des boues activées : une compressibilité élevée, une couleur foncée et un surnageant clair contenant de fins flocs.
Si un faible taux de décantation se produit en raison d'un rejet anormal de boues, l'observation révélera également que les boues activées décantées sont de couleur pâle, ont une faible compressibilité et sont clairsemées.
3. L'impact de la concentration des boues sur la nitrification et la dénitrification
1. L'impact de la concentration des boues sur la nitrification
De nombreux facteurs environnementaux influencent la nitrification, notamment le pH, la température, le SRT, l'OD, la DBO/TKN, la concentration des boues et les substances toxiques. Dans les stations d'épuration actuelles, seuls les paramètres tels que SRT, DO, DBO/TKN et la concentration des boues peuvent être contrôlés pendant le fonctionnement du processus.
un. Dans la nitrification aérobie, des concentrations de boues plus élevées entraînent une concentration relativement plus élevée de bactéries nitrifiantes, conduisant ainsi à un taux de nitrification aérobie plus élevé dans des conditions de concentration de boues élevées.
b. Un certain âge des boues est nécessaire pour garantir la présence de bactéries nitrifiantes dans les boues biologiques. Créer des conditions de vie favorables aux bactéries nitrifiantes augmente encore leur proportion dans la communauté microbienne, augmentant ainsi leur concentration. À des concentrations de boues élevées, davantage de DBO est consommée au stade anaérobie, ce qui entraîne un rapport DBO/TKN relativement plus faible au stade aérobie.
Certaines études ont montré une relation inverse entre la proportion de bactéries nitrifiantes dans les boues activées et la DBO/TKN. Les bactéries nitrifiantes étant autotrophes, la concentration en substrat organique n’est pas un facteur limitant pour leur croissance. Cependant, si la concentration en substrat organique est trop élevée, cela entraînera une prolifération rapide de bactéries hétérotrophes à taux de croissance élevé--, rivalisant pour l'oxygène dissous. Cela ralentit la croissance des bactéries autotrophes et empêche les bactéries nitrifiantes aérobies de gagner un avantage, ce qui entraîne une réduction du taux de nitrification.
c. L'oxygène dissous (OD) est généralement un indicateur important dans l'étape de nitrification des stations d'épuration des eaux usées, généralement supérieur à 2 mg/L. Dans la plupart des procédés de fossé d'oxydation, la valeur moyenne de DO dans le fossé est difficile à atteindre 2 mg/L, restant généralement à 1 mg/L ou moins. Cependant, l’effet de nitrification reste bon. La raison en est que la concentration relativement élevée de boues propre aux fossés d’oxydation, bien qu’elle entraîne une valeur d’OD plus faible, renforce d’autres facteurs propices à la nitrification.
Une concentration accrue des boues augmente le volume efficace du bassin de traitement biologique tout en réduisant la charge. D’un autre point de vue, l’augmentation de la concentration des boues augmente également la capacité aérobie des micro-organismes. Dans les mêmes conditions d’aération, la lecture du compteur d’oxygène dissous devrait également être inférieure. Les points ci-dessus expliquent que l'augmentation de la concentration des boues peut réduire de manière appropriée la valeur de l'oxygène dissous (OD) dans le bassin de traitement biologique tout en maintenant un bon niveau de nitrification.
d. Pour assurer la croissance et la reproduction normales des bactéries nitrifiantes dans les boues activées, l'âge des boues doit généralement être contrôlé à plus de 8 jours. Cependant, pour garantir un avantage compétitif relativement équilibré aux bactéries nitrifiantes par rapport aux autres bactéries hétérotrophes, l'âge des boues doit être augmenté sans provoquer un vieillissement important des boues, ce qui augmente d'autant la concentration des boues dans le système biologique.
2. L'impact de la concentration des boues sur la dénitrification
La dénitrification biologique est le processus par lequel les bactéries dénitrifiantes utilisent l'oxygène ionique contenu dans les nitrates pour décomposer la matière organique dans des conditions anoxiques. Le nitrate est réduit en N2, complétant ainsi le processus de dénitrification. Les bactéries dénitrifiantes sont des bactéries facultatives hétérotrophes abondantes dans les systèmes de traitement des eaux usées. Dans des conditions aérobies, ils utilisent l’oxygène pour la respiration et la décomposition oxydative de la matière organique.
Dans des conditions sans oxygène moléculaire, lorsque les ions nitrate et nitrite sont présents simultanément, ils peuvent utiliser l’oxygène contenu dans ces ions pour respirer, oxyder et décomposer la matière organique. Les bactéries dénitrifiantes peuvent utiliser une grande variété de substrats organiques comme donneurs d'électrons dans le processus de dénitrification, notamment des glucides, des acides organiques, des alcools et même des composés tels que des alcanes, des benzoates et d'autres dérivés du benzène, qui sont souvent les principaux composants des eaux usées. De nombreux facteurs influencent le taux de dénitrification, notamment le pH, la température, l'oxygène dissous (OD), le rapport carbone-sur-azote (rapport C/N) et la concentration des boues. Dans les stations d'épuration actuelles, seuls des paramètres tels que l'OD et la concentration des boues peuvent être contrôlés pendant le fonctionnement du processus. Bien que le rapport C/N soit le facteur d'influence le plus important dans la réaction de dénitrification, il dépend fortement de la qualité de l'eau d'entrée et est généralement difficile à contrôler en pratique.
un. La dénitrification nécessite l'absence d'oxygène moléculaire pour permettre aux bactéries dénitrifiantes d'utiliser l'oxygène ionique des nitrates et des nitrites pour décomposer la matière organique. Comme mentionné précédemment, les systèmes biologiques avec des concentrations élevées de boues peuvent réduire de manière appropriée l'oxygène dissous (OD) pendant la nitrification tout en maintenant l'efficacité de la nitrification. Par conséquent, la réduction de l'OD à la fin de la nitrification réduit efficacement la teneur en DO transportée dans le liquide de retour du nitrate, diminuant ainsi l'impact de l'oxygène moléculaire sur le processus de dénitrification dans la zone anoxique et améliorant la capacité des bactéries dénitrifiantes à utiliser les sources de carbone.
Simultanément, des concentrations élevées de boues se traduisent également par une capacité métabolique aérobie endogène relativement forte, consommant davantage d’oxygène dissous dans les zones de retour et anoxiques. De plus, des concentrations très élevées de boues modifient la viscosité de la liqueur mélangée, augmentant la résistance à la diffusion et réduisant ainsi l'OD transporté dans le liquide de retour. Dans certains procédés de traitement utilisant des canaux ouverts comme canaux de retour, cela peut réduire l'oxygénation requise pour le flux de retour. En résumé, des concentrations élevées de boues jouent un rôle important dans la réduction de l'OD pendant l'étape de dénitrification du fonctionnement réel du procédé.
b. Étant donné que les bactéries dénitrifiantes sont des bactéries facultatives hétérotrophes et sont abondantes dans les systèmes de traitement des eaux usées, l'augmentation de la concentration des boues dans le système peut effectivement augmenter la concentration de bactéries dénitrifiantes. Le taux de dénitrification est largement indépendant des concentrations de nitrates et de nitrites, mais présente une réaction de premier ordre-avec la concentration de bactéries dénitrifiantes.
Par conséquent, dans le fonctionnement réel du procédé, des concentrations élevées de boues peuvent raccourcir le temps de dénitrification et réduire le volume effectif de la zone anoxique. Étant donné un volume effectif fixe dans la zone anoxique, des concentrations élevées de boues permettent une meilleure utilisation de la matière organique relativement difficile-à dégrader-dans la matrice organique en tant que source de carbone. Ceci est particulièrement important pour les processus d’élimination de l’azote et du phosphore, notamment lorsque les sources de carbone sont insuffisantes.
c. Des concentrations élevées de boues entraînent des diamètres de flocs microbiens relativement plus grands. Lors de la nitrification, le faible niveau d'oxygène dissous entraîne un gradient de pression d'oxygène plus faible, ce qui facilite la formation d'environnements anoxiques au sein des flocs, favorisant ainsi la dénitrification. Par conséquent, des concentrations élevées de boues peuvent favoriser une dénitrification simultanée.
4. L'impact de la concentration des boues sur l'élimination biologique du phosphore
La clé de l'élimination biologique du phosphore consiste à augmenter la proportion de bactéries accumulatrices de polyphosphates-dans le système à boues activées, tout en favorisant simultanément leur croissance et leur reproduction rapides pendant le fonctionnement du système, en maintenant une teneur élevée en phosphore dans les bactéries accumulatrices de polyphosphates-lors de leur décharge.
Pour augmenter la proportion de bactéries accumulatrices de polyphosphates (PAC) dans les boues activées du système, il est nécessaire de créer un environnement et des conditions hydrauliques plus favorables à leur croissance et à leur reproduction. Cela signifie avoir un bon environnement anaérobie et aérobie dans le flux du processus. Le contrôle des facteurs environnementaux dans la zone anaérobie est particulièrement important pour la croissance et la reproduction des bactéries PAC et pour l’élimination du phosphore. Une concentration élevée de boues dans la zone anaérobie est plus bénéfique pour les bactéries PAC.
L’efficacité de l’élimination biologique du phosphore est étroitement liée à l’âge des boues. Ce n'est qu'à partir d'un certain âge des boues (environ 3 jours) que l'excès de phosphore peut être efficacement éliminé, réalisant ainsi la fonction d'élimination du phosphore. Étant donné que les matières en suspension (MES) sont fixes, puisque la concentration des boues est directement proportionnelle à leur âge, plus la concentration des boues est élevée au-delà d'une certaine plage, plus l'effet d'élimination du phosphore est mauvais.
un. Tout en maintenant un âge des boues suffisant pour l’efficacité de l’élimination du phosphore, l’augmentation de la concentration des boues dans la zone anaérobie entraîne une concentration proportionnellement plus élevée de bactéries CAP. Cela augmente la quantité de micro-organismes libérant du phosphore-, ce qui à son tour augmente la quantité de micro-organismes aérobies ultérieurs-absorbant le phosphore, améliorant ainsi l'effet global d'élimination du phosphore du système.
b. Dans la zone anaérobie, les bactéries accumulatrices de polyphosphates-absorbent les AGV et libèrent du phosphore. Simultanément, dans des conditions de concentration élevée de boues, la zone anaérobie peut servir de section d'acidification anaérobie du système, hydrolysant de manière anaérobie la matière organique récalcitrante de haut-poids moléculaire-dans l'eau. L'énergie libérée lors de la libération de phosphore par les bactéries accumulant des polyphosphates - peut être utilisée pour absorber activement l'acide acétique, H+, etc., formant du PHB et le stockant dans les bactéries. Cela favorise le processus d'acidification de la matière organique, améliore la biodégradabilité des eaux usées et augmente la source de carbone utilisée pour les réactions de dénitrification dans les processus de traitement ultérieurs.