Pourquoi le mélange est-il nécessaire dans les zones anoxiques et anaérobies ?
Les procédés d’élimination biologique des nutriments (Biological Nutrient Removal, BNR) peuvent être à la fois efficaces et économiques. Un mélange correct dans les zones anoxiques et anaérobies peut contribuer à réduire les quantités de nutriments dans les effluents et à améliorer l’efficacité du traitement.
Les nutriments, tels que l’azote et le phosphore, sont la cause principale d’eutrophisation dans les eaux de surface, qui se traduit par des proliférations d’algues, une faible teneur en oxygène dissous et la mort des poissons. Les efforts de réduction des déséquilibres de nutriments ont conduit à des limites plus strictes dans les effluents pour les stations de traitement des eaux usées, qui nécessitent souvent des systèmes BNR pour assurer la conformité.
La méthode BNR utilise une sélection de microorganismes et des conditions d’environnement contrôlées dans la station de traitement, caractérisées par la disposition des zones non aérées (anoxiques/anaérobies) en amont et/ou en aval des zones d’aération. Les circulations de recyclage de la liqueur mixte et du retour des boues sont disposées de façon à utiliser au mieux la teneur en matières organiques et la boue activée dans le système. Ces processus mis en place permettent d’éviter l’eutrophisation dans le système d’eau destinataire.
Voici les caractéristiques des différents types de zone.
- Zone anaérobie. Dans cette zone, aucune forme d’oxygène directement utilisable (oxygène libre, oxygène dissous et nitrites/nitrates) n’est présente.
- Zone anoxique. Dans cette zone, aucun oxygène dissous n’est présent, mais de l’oxygène « chimiquement lié », notamment des nitrites et des nitrates que des microbes peuvent utiliser pour des processus métaboliques, y sont couramment présents.
Il s’ensuit qu’une exigence critique de mélange est d’éviter un transfert d’oxygène notable dans les zones anoxiques et anaérobiques.
L’élimination de l’azote et du phosphore exige des approches différentes, tel qu’indiqué ci-dessous.
- Pour l’élimination totale de l’azote, le processus doit comporter une zone aérobie pour la nitrification et une zone anoxique pour la dénitrification en cas de retour de liqueur mixte riche en nitrate. Une disposition différente des zones aérobiques et anoxiques est utilisée dans le procédé appelé step-feed ou à alimentation fractionnée.
- Pour l’élimination totale du phosphore, le phosphore sous forme de particules est évacué par élimination des solides, et le phosphore soluble par consommation microbienne grâce à des organismes accumulateurs de phosphore. Le processus doit avoir une zone anaérobie exempte d’oxygène dissous et de nitrates pour la libération du phosphore et la sélection des microbes, ainsi qu’une zone aérobie pour la consommation du phosphore.
Bien que l’aération (avec le mélange associé) représente la majorité de la consommation d’énergie dans la plupart des procédés de traitement d’eaux usées, le maintien des conditions adéquates dans les zones anoxiques et anaérobies exige aussi de l’énergie pour le pompage entrant et sortant de ces zones, ainsi que le mélange à l’intérieur de celles-ci. Le pompage pour les applications BNR implique essentiellement la recherche d’une technologie fiable de transport de débits relativement importants à faible hauteur manométrique pour un ensemble de points de charge bien défini. Le nombre de pompes Xylem Flygt (de la pompe N centrifuge 3085 à la pompe à hélice à débit axial horizontal 4680, et jusqu’à la pompe à hélice à débit axial vertical 7125) utilisées dans ces types d’application se compte en dizaines de milliers (la pompe 3085 est une entrée de gamme, la 4680 et la 7125 sont des hauts de gamme).
Mélange submersible
Les mélangeurs submersibles Flygt séries 4400 et 4600 en zones anoxiques et anaérobies sont encore plus nombreux. Le mélangeur Xylem Flygt 4320, présenté en 2015, est équipéd’ un variateur intégré qui permet aux opérateurs de régler parfaitement la vitesse de mélange et la poussée en fonction des diverses exigences de l’application.
Mais en quoi consiste exactement le travail de mélange dans les applications BNR ?
L’objectif du mélange dans les zones anoxiques et anaérobies est de maintenir les conditions optimales pour l’élimination des nutriments. Le maintien des zones anoxiques/anaérobies exige le mélange du contenu du bassin et des flux entrants tout en évitant l’introduction d’oxygène libre. La boue doit être maintenue en suspension pour utiliser au mieux le volume de conception du réservoir.
Un mélange optimal doit assurer :
- Mise en suspension des dépôts au fond. Les solides déposés au fond réduisent le volume et peuvent conduire à des effets anaérobies indésirables.
- Distribution suffisante des solides. Un contact inégal ou insuffisant des bactéries avec le liquide sur l’ensemble du réservoir est, par essence, une perte du volume de processus.
Il est souvent acceptable que les premiers centimètres à la surface du liquide dans la zone ne soient pas pénétrés par les nuages de boue, parce que l’exposition de la boue à l’oxygène de l’atmosphère contrarie la fonction des bactéries. Mais la perturbation de la dénitrification par l’atmosphère (en service anoxique) par exemple, est improbable à moins de consacrer une forte puissance au déplacement de surface.
Mélange
Les divers flux qui pénètrent dans le réservoir doivent être parfaitement mélangés. Cette distribution volumique du fluide entrant est appelée mélange. Une chambre de contact de prémélange des différents flux est souvent un bon choix pour assurer un bon mélange. Si le réservoir est de conception à « mélange complet », les flux entrants devraient aussi se mélanger avec le volume global.
Il faut éviter les courants de dérivation ainsi que la formation de zones stagnantes pour conserver la totalité du volume de processus. Les courants de dérivation sont souvent empêchés par un effet secondaire de la distribution et de la mise en suspension des solides. Un positionnement adéquat des sorties de réservoir par rapport aux entrées est aussi essentiel. Quand la quantité de mouvement du débit entrant est élevée, il est possible d’en tirer profit pour assurer le mélange du contenu du réservoir par une conception judicieuse.
Toutefois, du fait que le débit entrant recherchera toujours le chemin le plus court vers la sortie, il est important lors de la conception du système d’étudier soigneusement la fonction de mélange dans ce système.
Mélange intermittent
Les réservoirs mélangés de façon intermittente (et trop peu souvent) risquent de permettre le passage de courants non mélangés. Cela peut souvent être détecté par un essai avec des traceurs. Si la durée de la phase de repos du mélangeur est trop longue, un réservoir passant un essai de traceur injecté juste avant un cycle de mélange présentera une distribution du temps de séjour (residence time distribution, RTD) totalement différente de celle obtenue en injectant le traceur juste après un cycle de mélange. Le dernier test démontrera une dérivation, alors que le premier donnera sans doute une indication beaucoup moins claire du problème.
Formation de mousse
Une exigence courante pour les mélangeurs de zone anoxique est la prévention ou l’élimination de la mousse. Des couches de mousse peuvent parfois se former à la surface dans un système à boue activée. Les raisons de cette formation ont été recherchées dans les caractéristiques des processus en amont : augmentation de l’âge de la boue lors de l’introduction d’une étape de processus de dénitrification ; mauvais mélange ; manque de teneur en matières organiques ou d’énergie pour les bactéries ; et autres raisons.
Il a même été suggéré que les équipements mécaniques brisent les agrégats ou flocs de boue, conduisant à un comportement différent en suspension et à une différence dans l’agglomération des boues. Une étude attentive n’a, cependant, pas pu le confirmer. Un des rares faits établis est que les bactéries filamenteuses sont favorisées par un âge important de la boue, qui a des conséquences sur la formation de mousse.
Aujourd’hui, la mousse est simplement acceptée comme conséquence de la configuration du processus et de la composition des eaux usées disponibles. Les opérateurs préfèrent parfois laisser la mousse suivre la ligne de traitement, et demandent de favoriser ce transfert par des modèles de circulation en surface.
La bonne technologie de mélange
Le mélange efficace dans les zones anaérobies et anoxiques est souvent obtenu par des mélangeurs submersibles, submersibles à bas régime ou à hélice, par exemple agitateurs à ligne d’arbre. La bonne technologie de mélange s’associe à la conception du système BNR de la station pour maintenir les conditions optimales d’élimination des nutriments. En plus d’un mélange efficace et rentable, le bon mélangeur devrait aussi réduire l’entretien et les coûts d’exploitation pour assurer finalement un coût minimal sur le cycle de vie.