7.0 STATIONS MCANISES Table des matires

7.1 Traitement pralable 3 7.1.1 Dgrilleur 4 7.1.2 Dessablage 4 7.1.3 Dcantation primaire 5

7.2 BOUES ACTIVES 7 7.2.1 Historique 7 7.2.2 Caractristiques gnrales 7 7.2.3 Principes de base et critres de conception du racteur biologique 9

Recirculation des boues 12 7.2.4 Boues actives aration prolonge 12

Fosss doxydation 13 tangs de boues actives 13

7.2.5 Racteur biologique membranaire 14 7.2.6 Racteurs biologiques squentiels (RBS) 15

7.3 SPARATION SOLIDE-LIQUIDE 19 7.3.1 Dcantation secondaire 19

Dcanteur sdimentation discrte 19 Dcanteur sdimentation flocule 20

7.3.2 Filtration membranaire 21 7.4 MCANIQUE DE PROCD 24

7.4.1 Extraction des boues 24 7.4.2 Slecteur 24 7.4.3 Systme daration 25

7.5 RENDEMENT 27 7.5.1 Boues actives avec dcanteur 27 7.5.2 Boues actives avec filtration membranaire 27

7.6 EXPLOITATION 28 Liste des symboles 31 Rfrences 32

Certains procds conventionnels de traitement des eaux uses faisant appel des stations compactes et mcanises sont utiliss depuis longtemps, tant au Qubec que partout dans le monde. Ces procds sont souvent conus partir de critres gnraux dcrits dans les ouvrages de rfrence relatifs ce domaine. Plusieurs fabricants peuvent alors fournir des quipements ou des composantes du procd, mais cest lingnieur mandat pour effectuer la conception de la station dpuration qui assume la responsabilit de la conception et de la performance du procd dans son ensemble. Lingnieur adapte la conception de la station dpuration en fonction du contexte particulier de chaque projet

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tout en respectant les principes de base et les critres gnraux de conception dj largement prouvs. Malgr lapproche dcrite ci-dessus, un fournisseur dune variante particulire dune telle technologie, complte et bien dfinie, qui souhaite simplifier ltude des projets qui peuvent tre soumis au ministre du Dveloppement durable, de lEnvironnement, de la Faune et des Parcs (MDDEFP), peut soumettre une demande de validation de performance de sa technologie au Comit dvaluation des nouvelles technologies de traitement des eaux uses dorigine domestique (http://www.mddefp.gouv.qc.ca/eau/eaux-usees/usees/procedure.htm). Il en va de mme pour dautres procds non abords dans ce guide, comme les systmes de biofiltration dj prouvs dans de grandes stations dpuration municipales au Qubec, qui sont considrs comme des technologies conventionnelles et qui font lobjet dune tude dtaille pour chaque cas. Certains procds conventionnels de traitement des eaux uses de type physicochimique ou de biodisque ont t utiliss tant au Qubec que partout dans le monde. Or, les exigences de rejets devenant de plus en plus svres, les stations de type physicochimique de mme que les stations de traitement par biodisque ne peuvent plus tre autorises par le Ministre puisque les suivis de ces stations ont dmontr qu'elles ne sont pas en mesure de satisfaire les exigences minimales de la Stratgie pancanadienne pour la gestion des effluents d'eaux uses municipales du Conseil canadien des ministres de l'Environnement. Ces deux types de stations ne figurent donc plus dans le prsent guide et ne seront plus autoriss par le MDDEFP moins de faire lobjet dune fiche dinformation technique mise par le comit dvaluation des nouvelles technologies de traitement des eaux uses. Les stations mcanises ncessitent gnralement lextraction rgulire des boues en excs produites lors du traitement. La chane de traitement des boues peut comprendre plusieurs tapes : lpaississement, lemmagasinage des boues liquides, la digestion, le compostage, le conditionnement, la dshydratation, lemmagasinage des boues dshydrates, le schage et lincinration. Llaboration des caractristiques techniques de ces fonctions dpasse largement le contexte du prsent guide et le nombre de projets analyser est restreint puisquil sagit de procds normalement utiliss pour des stations de moyenne ou de grande taille. Chaque projet doit donc faire lobjet dune analyse particulire en se basant sur la documentation. Plusieurs procds de traitement des boues gnrent des surnageants ou des filtrats qui sont retourns dans la chane liquide. Le bilan massique effectu doit tenir compte des charges produites par les surnageants et les filtrats qui sont recycles en tte de traitement en plus des charges de laffluant. des fins de valorisation, les boues doivent tre stabilises par digestion arobie, digestion anarobie, par addition de chaux ou encore par dessiccation. Les stations dpuration des villes de moyenne ou de grande taille tant dj en place, les projets prsents au MDDEFP pour obtenir une autorisation, sont des projets de

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modification surtout de stations existantes ou des projets pour de petites municipalits. Les projets soumis peuvent donc varier sensiblement dun cas lautre. Ce guide se limite des principes lmentaires et des critres gnraux de conception. Une tude dingnierie dtaille est requise pour chaque projet. Pour les petites stations, la chane de boues peut se limiter un bassin demmagasinage. Les boues sont alors achemines soit directement vers la valorisation, soit vers une autre station, ou elles peuvent tre traites, ou encore elles peuvent tre traites de faon priodique au moyen dquipements mobiles. Lorsque les boues ne sont pas valorisables et quelles sont destines lenfouissement, la siccit minimale des boues doit respecter les valeurs prescrites dans le Rglement sur l'enfouissement et l'incinration de matires rsiduelles (Q-2, r. 19). Toutefois, la volont du gouvernement est de bannir la matire organique des lieux denfouissement afin de lutter contre les changements climatiques (http://www.mddefp.gouv.qc.ca/infuseur/communique.asp?No=1588). Le gouvernement laborera une stratgie afin dinterdire, dici 2020, llimination de la matire organique putrescible, tels les feuilles et le gazon, les restes de table, les boues de fosses septiques et dpuration des eaux uses (http://www.mddefp.gouv.qc.ca/matieres/pgmr/plan-action.pdf). 7.1 TRAITEMENT PRALABLE Les systmes de traitement par boues actives doivent tre prcds tout le moins dun dgrillage. Un dessablage peut tre requis, particulirement en prsence dun rseau dgout unitaire. La chane de traitement peut aussi inclure un systme de traitement primaire. Au Qubec, certains des quipements de prtraitement tel que les dgrilleurs, doivent tre installs lintrieur dun btiment. Les dgagements de composs organiques volatils (COV) ou de composs inorganiques tels que les H2S sont susceptibles de produire des odeurs ou dautres vapeurs toxiques. Des dversements accidentels dhydrocarbures dans le rseau dgout peuvent entraner le dgazage de produits volatils explosifs dans la salle des quipements de prtraitement. Une ventilation adquate de mme que des quipements scuriss (antidflagrant) doivent donc tre prvus lorsque cela est ncessaire. Les prescriptions requises pour protger la sant et la scurit des travailleurs doivent tre suivies conformment aux lois et rglements applicables en matire de sant et scurit au travail (http://www.csst.qc.ca/Pages/index.aspx).

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7.1.1 Dgrilleur Les systmes de dgrillage sont installs pour liminer divers dbris qui peuvent causer des blocages et des bris aux quipements situs en aval. Ils peuvent tre installs en simplex ou en duplex, selon le dbit de la station dpuration. Les grilles doivent tre nettoyage automatique. Les grilles nettoyage manuel ne peuvent tre installes que pour les trs petites stations de moins de 20 m3/d, ou pour la grille de rserve. Chacune des grilles doit tre en mesure de traiter tout le dbit de pointe horaire de conception. Lespacement entre les barres dun dgrilleur grossier est gnralement de 12 25 mm. cet espacement, la perte de charge maximale dans la grille doit tre limite 250 mm dans une grille obstrue 50 %. Plusieurs fabricants programment le dmarrage automatique du systme de nettoyage une perte de charge de 150 mm ou au moyen dune minuterie. Suivant les caractristiques des systmes en aval, un dgrillage fin ou un tamisage de 0,5 3 mm peut tre requis. Selon lenvergure de la station de traitement et le type de dgrillage, un compresseur dchets peut tre prvu de mme que des bennes dentreposage. 7.1.2 Dessablage Un dessablage des eaux uses peut tre prvu la suite du dgrillage si le rseau dgout, ou une partie du rseau, est de type unitaire. Cette mesure vise protger les quipements mcaniques contre les bris et labrasion. En gnral, les fabricants donnent les instructions dinstallation de ce type dquipement. On retrouve sur le march des systmes de dessablage ars, des dessableurs vortex et des dessableurs vortex assist. Les dessableurs ars peuvent tre installs lextrieur, mais les quipements priphriques, tels que les pompes, les convoyeurs, etc., doivent tre protgs contre le gel. Les dessableurs vortex assist ou non sont beaucoup plus compacts que les dessableurs ars, mais divers problmes de fonctionnement ont t observs sur les dessableurs vortex (non assist), ce qui a donn lieu une plus grande popularit des dessableurs vortex assist. Lefficacit des dessableurs dpend dune multitude de facteurs. La slection de ces quipements se fait gnralement partir des informations prsentes par les fabricants. Ces derniers ont gnralement procd des essais de rendement pour en dterminer lefficacit. Il est cependant important dexaminer les courbes granulomtriques des sables utiliss lors des tests si lon veut procder une valuation comparative de divers quipements.

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Un objectif de traitement de 85 % ou plus dlimination des sables de plus de 240 m est typiquement vis. Avec le dessableur, une vis de lavage et dasschement des sables est requise, de mme que des bennes dentreposage. Si des projets de modifications des stations existantes ou de nouvelles stations sont soumis pour autorisation, ils doivent faire lobjet dune analyse cas par cas. 7.1.3 Dcantation primaire Dans les petites installations de traitement, la dcantation primaire peut tre effectue laide dune fosse septique conforme aux prescriptions de la section 3.4 du guide si les dbits deau de captage ne sont pas significatifs. Toutefois dans un tel cas, il faut viter les augmentations significatives du dbit pouvant entraner les boues dcantes vers les quipements situs en aval et causer divers problmes de fonctionnement. Les dcanteurs primaires non racls et fond conique savrent souvent problmatiques cause de diverses difficults de pompage des boues. Les boues primaires sont difficiles pomper par des petits systmes, ce qui produit des blocages frquents. Les systmes de pompage surdimensionns dirigent une grande quantit deau clarifie vers le systme de gestion de boues. Cela entrane souvent une surcharge du systme de gestion de boues et des retours de boues dans la chane liquide. Une fosse septique ou un dcanteur racl sont gnralement prfrables. Selon la variante de procd retenue pour les installations de plus grande envergure, ou pour celles qui doivent recevoir occasionnellement des dbits parasitaires importants, il peut tre ncessaire dinstaller un dcanteur avec extraction automatique des boues et des cumes. Les critres de conception du dcanteur primaire sont rsums au tableau 7.1. Tableau 7.1 Critres de conception dun dcanteur primaire mcanis (Adapt de Tchobanoglous et collab., 2003)

Critres Unit Gamme Valeur typique Dcanteur primaire suivi dun traitement secondaire Temps de rtention h 1,5-2,5 2 Vitesse ascensionnelle Q moyen m3/m2 d 30-50 40 Au Q pointe m3/m2 d 80-120 100 Taux de dbordement m3/m d 125-500 250 Dcanteur primaire avec retour des cumes du traitement secondaire Temps de rtention 1,5-2,5 2 Vitesse ascensionnelle Q moyen 24-32 28 Au Q pointe 48-70 60 Taux de dbordement 125-500 250

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Les temps de rtention indiqus au tableau 7.1 doivent tre adapts en fonction de la temprature (T) selon la formule suivante (Tchobanoglous et collab., 2003) :

TecorrectiondeFacteur 03,082,1 (7.1) Un systme de dcantation primaire avec raclage en continu des boues peut enlever jusqu 70 % des MES, et 30 % 40 % de la DBO5 (Tchobanoglous et collab., 2003), mais le rendement dcrot avec une diminution du temps de rtention. De plus, ces estimations sont bases sur des sources de donnes qui sont trs variables, et doivent tre considres avec prudence. Les boues primaires sont hautement valorisables du point de vue nergtique. Celles-ci peuvent tre diriges vers un digesteur anarobie afin de produire du gaz naturel (mthane) dorigine cyclique.

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7.2 BOUES ACTIVES 7.2.1 Historique Le principe de traitement des eaux uses par boues actives est connu depuis le dbut du XXe sicle. Edward Ardern et W.T. Lockett ont mis au point le procd en 1913 pour le dpartement de Manchester Corporation Rivers aux installations de Davyhulme. Devant la performance leve du systme, ces ingnieurs ont pens avoir activ la boue prsente dans le racteur, do le nom du procd (http://en.wikipedia.org/wiki/Activated_sludge, 11-10-2012). Ce procd est rpandu autant au Qubec quailleurs dans le monde. On compte environ une quarantaine dinstallations municipales au Qubec qui traitent les eaux uses de plus de 700 000 personnes. 7.2.2 Caractristiques gnrales En principe, un systme de traitement biologique des eaux uses vise reproduire les processus de dcomposition des polluants qui se produisent naturellement dans le milieu rcepteur. Le systme de traitement est un endroit confin qui offre des conditions favorables une dgradation rapide de ces contaminants. Le traitement se fait en diffrentes tapes. Dans la premire tape, les contaminants solubles ou collodaux sont consomms par les microorganismes qui les transforment en constituants cellulaires. Ensuite, ces microorganismes et dautres matires en suspension peuvent tre spars mcaniquement de leau pure. Le systme de boues actives est donc une grande culture de microorganismes en suspension qui consomment les polluants pour les transformer en masse cellulaire et partiellement en CO2. Afin dacclrer le processus de dgradation des contaminants organiques, la biomasse est concentre par le processus de sparation solide-liquide, puis recycle dans le systme, ce qui entrane une diffrenciation entre le temps de rsidence hydraulique () et le temps de rsidence des boues (ge des boues : C). Cela confre au traitement une bonne stabilit et une grande efficacit. La sparation solide-liquide se fait selon divers processus de dcantation ou de filtration. La rduction de certains nutriments, comme le phosphore lors de la dphosphatation biologique ou encore lazote lors de la nitrification et de la dnitrification, est effectue en exposant la biomasse diffrents cycles oxyques. Une grande varit de configuration des systmes de boues actives a t labore dans les dernires dcennies afin de rpondre divers objectifs de traitement. La description de toutes ces variantes est trop labore pour figurer dans ce guide, mais le lecteur pourra

consulter au besoin les documents de rfrence numrs la fin du prsent chapitre. Les principes sur lesquels se fondent les variantes des systmes de traitement seront toutefois passs en revue afin de prciser les mcanismes de traitement inhrents aux procds de traitements et de faciliter la premire analyse des dossiers. Il est important de noter quune tude approfondie des dossiers demeure indispensable et que ce type danalyse dpasse largement les indications donnes dans ce chapitre. Les procds de boues actives sont des systmes relativement complexes appliqus gnralement au traitement des eaux uses de villes de moyenne ou de grande taille. Toutefois les racteurs biologiques membranaires (MBR) sont moins sensibles diffrents problmes de sparation solide-liquide et peuvent constituer une solution intressante pour les petites municipalits. Plusieurs variantes du procd de boues actives peuvent tre considres et ces stations peuvent faire appel beaucoup dquipements diffrents. Les systmes de boues actives sont le plus souvent conus pour tre exploits en mode continu avec un racteur biologique, un dcanteur secondaire et des quipements de retour des boues du dcanteur vers le racteur. Un schma de procd typique est montr la figure 7.1. Ces systmes peuvent aussi tre conus pour tre exploits en mode squentiel, une priode tant rserve la dcantation directement dans le racteur. Les systmes de boues actives ne sont pas recommands pour traiter des eaux uses dilues ou l o il y a des dbits importants deaux parasites. Ltude des bilans de masse dmontre gnralement quil est difficile de respecter les critres de conception usuels donns dans le tableau 7.3 lorsque les eaux sont trop dilues. Il en est de mme pour des applications usage irrgulier comportant des priodes de faibles charges ou dabsences de charges susceptibles de causer une dtrioration de la biomasse et un mauvais fonctionnement de la station. Dans de tels cas, une simulation dynamique peut savrer essentielle. Toutefois, les rsultats de ces simulations doivent tre pris avec circonspection puisque les modles dynamiques mentionns la section 7.2.3 ne peuvent simuler adquatement des mcanismes associs la formation du floc lors de la dcantation tel que le foisonnement des boues (boues flottantes, boues peu dcantables, etc.), et que la qualit du floc est sensible aux variations de charge. Comme cela a dj t mentionn, le traitement produit des solides en suspension quil faut retirer du systme afin de maintenir ce dernier dans un tat stable. Ainsi, la boue excdentaire est extraite du systme et constitue les boues secondaires. Un systme de gestion de boues doit donc tre intgr la chane de traitement.

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Stockage des boues

Pompe de recirculation

Bioracteur

Effluent

Bassin dgalisation (si ncessaire)

Dcanteur (si ncessaire)

Rebuts

Dgrillage

Affluent

Air de procd

Dosage de coagulant (si ncessaire)

limination

Dcanteur

Dssablage (si ncessaire)

Systme dextraction de boues en excs

Retour des surnageants

Figure 7.1 Schma de procd de boues actives Bien que ce procd soit applicable en thorie autant pour des petites stations que pour des grandes, il est relativement complexe exploiter et loprateur doit possder de bonnes connaissances du procd de traitement, en chimie, en microbiologie, en lectricit, en instrumentation et contrle ainsi quen mcanique (Bernier, 1992). En raison du manque de stabilit du systme de dcantation et de diverses problmatiques lies au systme de gestion de boues, il est frquent que les petites installations de boues actives ne fonctionnent pas tel que prvu (Bernier, 1992). Les systmes de boues actives sont donc peu appropris pour les petites installations commerciales, institutionnelles ou communautaires qui ne font pas appel un oprateur qui a une formation adquate. 7.2.3 Principes de base et critres de conception du racteur biologique La conception dun systme de boues actives doit ncessairement tre base sur un bilan de masse qui tient compte des charges et des fractions de contaminant de laffluent, de leffluent, des boues extraites et des cintiques biologiques dans le racteur. Le volume des bassins daration doit tre suffisant pour contenir toute la biomasse requise pour maintenir le rapport substrats/microorganismes (F/M) qui a t choisi par le concepteur. La masse de solides maintenir dans le racteur ayant t dfinie, la concentration de la liqueur mixte est dtermine selon le systme de sparation solide-liquide qui a t slectionn. Le temps de rtention hydraulique ne doit cependant pas tre infrieur aux valeurs donnes dans le tableau 7.3. Le processus de dgradation des contaminants dans le procd de boues actives est dcrit par un modle cintique du premier ordre bas sur la croissance de la biomasse (Grady et

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collab., 1999; Tchobanoglous et collab., 2003). Selon ce modle, le substrat est consomm lors de la croissance de la biomasse. partir dquations diffrentielles, le concepteur peut faire un bilan de masse sur le systme pour en dduire les quations dcoulant de ce modle. Pour poser le bilan de masse, en principe, on doit formuler lhypothse que le systme fonctionne lquilibre et que la quantit de boues extraites et perdues leffluent correspond laccumulation des solides dans le systme de traitement. Le concepteur doit donc prendre en compte la synthse de la biomasse produite par lactivit des microorganismes ainsi que laccumulation des matriaux inertes, tels que les matires non volatiles, les matires non biodgradables, les masses produites par le retour des surnageants et des filtrats, ainsi que la production de boues chimiques sil y a lieu. Il faut noter que les quations de bilan de masse doivent tre adaptes selon la configuration du systme de traitement et que cela peut modifier le systme dquations quil est ncessaire dutiliser pour concevoir le systme de traitement. Les quations de base pour la rduction dun substrat carbon dans un racteur arobie compltement mlang avec recirculation des boues et dshydratation des boues sur place sont prsentes ci-dessous. 2020 Too CCteTCte (7.2)

1)()1(

dC

CdSe k

kKS

(7.3)

)1()( 0

Cd

eC

kSSY

X

(7.4)

eVESBVESB

VESc XQXQ

XV)()( (7.5)

1000

)()1(1000)(

11000000 VESi

Cd

Cedd

cd

eXVES

XQk

SSYQkfkSSYQP

(7.7)

CXVESVES PVX

1000 (7.8)

Le bilan ci-dessus porte uniquement sur les matires volatiles. Pour connatre la concentration ou la masse totale de solides en suspension dans le racteur ainsi que la production de boues, il faut galement effectuer un bilan des matires inertes en suspension, qui peut sexprimer de la faon suivante lorsque le racteur est lquilibre :

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CHIMX

VESTESVESi

Vcd

eCddXTES P

XXQXQfk

SSYQkfP ,0000 1000)()(

1000)(

11000)1(

(7.9)

CXTESTES PVX

1000 (7.10)

De faon gnrale, lors des calculs de conception, les bilans doivent tre effectus sur les MES, les matires volatiles en suspension (MVES) et sur la DCO. Les valeurs de la DCO obtenues leffluent doivent ensuite tre transformes en DBO5. Il est possible de convertir la DCO biodgradable (DCObio) en DBO5 partir de lquation suivante (Tchobanoglous et collab., 2003) :

)(42,115

5 YfDBODBO

DBObDCO

d

U

(7.11) Le rapport DBOU/DBO5 gnralement admis pour des eaux uses dorigine domestique est de lordre de 1,5. Des valeurs typiques des paramtres cintiques et des coefficients pour le traitement des eaux uses domestiques sont prsentes au tableau 7.2. Tableau 7.2 Coefficients cintiques

Coefficient Unit Gamme Valeur typique Y (20 C) mg MVES/mg DCOb 0,3-0,5 0,4 d-1 3-13 6 KS mg DCOb/L 5-40 20 kd (20 C) d-1 0,06-0,2 0,12 fd Sans unit 0,08-0,2 0,15 1,03-1,08 1,07 kd 1,03-1,08 1,04

Des modles de simulations dynamiques ont t publis par lInternational Water Association (Henze et collab., 2000). Il sagit des modles ASM1, ASM2, ASM2d et ASM3. Ces modles, accepts maintenant comme standards dans le domaine, sont utiliss pour faire des simulations par incrments de temps et donnent la rponse dynamique du systme de traitement face aux variations des intrants la station. Divers logiciels de calculs bass sur ces modles sont maintenant disponibles (BioWin, GPS-X, WEST, etc.). Lors de lutilisation de ces outils, le concepteur de la station doit apporter un soin particulier au fractionnement des divers composants des eaux uses de mme quau calibrage des modles et aux valeurs retenues pour les constantes cintiques. Le cas chant, la caractrisation du fractionnement des contaminants de mme que les analyses de sensibilit, de calibration et de validation doivent tre prsentes avec le dossier de conception.

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Peu importe le modle utilis, certains facteurs doivent tre pris en considration lors de la conception du bioracteur. Celui-ci doit tre conu de faon assurer la stabilit du rendement en fonction des conditions dalimentation. La concentration des matires en suspension quil est possible de maintenir ou qui doit tre maintenue dans le racteur biologique dpend en majeure partie du systme de sparation solide-liquide. Recirculation des boues Afin de maintenir la concentration des matires volatiles en suspension (MVES) dans la liqueur mixte du bioracteur, la biomasse est concentre par le processus de sparation solide-liquide, puis recycle dans le systme. Les quipements de recirculation des boues doivent tre conus de faon pouvoir en modifier le dbit en fonction des conditions dexploitation. 7.2.4 Boues actives aration prolonge Les principes de base noncs prcdemment pour les systmes de boues actives sappliquent aux systmes aration prolonge. Lorsque la sparation solide-liquide est effectue au moyen dun dcanteur, il faut, entre autres, tre en mesure de maintenir une concentration de liqueur mixte suffisante pour favoriser la floculation et la dcantation de la biomasse. Une concentration dau moins 2 000 mg/L en MVES est recommande dans la liqueur mixte du bioracteur. Les taux de recirculation doivent pouvoir tre modifis de 25 % jusqu 150 % ou 200 % par rapport au dbit de laffluent de la station afin de maintenir la concentration en MES de la liqueur mixte dans le racteur biologique. Dans les systmes de boues actives aration prolonge, lge des boues vis la conception doit galement tre choisi de faon favoriser une qualit de biomasse qui offre de bonnes caractristiques de dcantation. Selon des rfrences cites par Bland (1984), la valeur optimale des biopolymres dans la liqueur mixte est obtenue pour un ge de boues denviron 20 jours. Il nest gnralement pas recommand de dpasser 30 jours dge de boues. Si le racteur biologique prsente un effet slecteur avec un rapport F/M lev au dbut du bioracteur (coulement en piston ou bioracteur prcd dun slecteur bactrien, voir section 7.4.2), permettant le dveloppement rapide des bactries agglutinantes, des ges de boues plus levs peuvent tre utiliss (40 70 jours selon Tchobanoglous et collab., 2003). Toutefois, la documentation indique que, lorsque lge des boues est lev, la biomasse a tendance dfloculer et former un pin floc (Jenkins et collab., 1980; Pipes, 1979). Dans ces conditions, une absence de biopolymre ou de structure filamenteuse limiterait la formation de floc dcantable. Une floculation assiste chimiquement peut rsoudre ce type de problme.

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Fosss doxydation Les fosss doxydation sont simplement une variante de boues actives aration prolonge dans laquelle les bassins daration ont la forme danneaux circulaires ou ovales. La liqueur mixte est maintenue en mouvement circulaire dans les fosss une vitesse de lordre de 0,3 m/s. Environ le tiers des stations de boues actives au Qubec sont de ce type. Aux tats-Unis, on compte plus de 9 000 de ces installations, qui desservent surtout des villes de 5 000 50 000 habitants avec des dbits de 1 900 19 000 m3/d (Krause et collab., 2010). Dans les premires installations, laration et le mouvement de la liqueur mixte taient effectus au moyen darateurs mcaniques de type rotors (ou brosses rotatives), mais les installations plus rcentes sont munies de jets. tangs de boues actives Selon linformation prsente dans les ouvrages de rfrence, certains procds de boues actives aration prolonge peuvent tre construits dans des bassins de terre comme des tangs. Un dcanteur est install en aval dun premier tang afin deffectuer la sparation solide-liquide et de recycler les boues dcantes. Le dcanteur peut tre construit sur la paroi de ltang ou en dehors du bassin. Selon cette configuration du procd, il devient possible de transformer un premier tang ar facultatif en procd de boues actives. Le grand volume du bioracteur est une particularit de ce procd qui rsulte de la configuration habituelle des tangs. Afin dobtenir une concentration de liqueur mixte entre 1 500 et 5 000 mg de MVES/L dans tout le volume du bassin (pour assurer la floculation/dcantation), il devient ncessaire de maintenir l'ge des boues autour de 40 70 jours. Le procd semble donc en principe un procd de boues actives aration prolonge avec une variante sur lge des boues. Laration (ou lagitation mcanique) doit tre suffisante pour maintenir les matires en suspension dans tout le bassin. Compte tenu du faible rapport F/M inhrent aux systmes de boues actives aration prolonge, afin dviter de favoriser la formation de bactries filamenteuses, le racteur biologique doit comporter un effet slecteur avec un rapport F/M lev au dbut du bioracteur (coulement en piston ou slecteur bactrien), ce qui favorise le dveloppement des bactries agglutinantes. Il est possible dadopter ce type de configuration par contact entre la biomasse recircule et les eaux brutes dans les ouvrages dentre ou de recirculation si le temps de contact y est suffisant. Des quipements de dosage de produits chimiques requis pour la coagulation et la floculation peuvent tre ncessaires afin dassister chimiquement la dcantation car du pin floc peut tre observ occasionnellement dans le dcanteur.

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7.2.5 Racteur biologique membranaire Les racteurs biologiques membranaires (MBR) sont des systmes de boues actives dans lesquels la sparation solide-liquide est effectue par un systme de filtration membranaire. La figure 7.2 montre le schma de procd de ce type de systme. Dans les MBR, en plus du dgrillage grossier, un tamisage de laffluent doit tre effectu afin de protger les membranes contre les dbris qui pourraient les endommager. Un tamisage sur des grilles avec des ouvertures de 0,5 2 mm est recommand dans la documentation (Atasi et collab., 2006; Krause et collab., 2010) selon le type de membrane. Il nest gnralement pas ncessaire dinclure une dcantation primaire dans la chane de traitement (Atasi et collab., 2006).

Stockage des boues

Pompe de rtrolavage

Pompe de permat

Pompe de recirculation

Bioracteur

Filtration membranaire

Rservoir de permat

Effluent

Bassin dgalisation (si ncessaire)

Tamis Affluent

Air de procd

Dosage de coagulant (si ncessaire)

limination

Prtraitement (si ncessaire)

Rebuts

Systme dextraction de boues en excs

Figure 7.2 Schma de procd des MBR Lorsque la sparation solide-liquide est effectue par une filtration membranaire, toutes les matires en suspension sont retenues par les membranes. Dans ce cas, laptitude de la boue dcanter na pas dincidence sur lefficacit de la sparation solide-liquide. Au contraire des dcanteurs, les biopolymres peuvent induire un colmatage des membranes, rduire la capacit de filtration ou encore avoir une incidence sur la frquence des nettoyages. Toutefois, dans la mesure o le temps de rtention des boues est suffisant pour induire une bonne nitrification, les biopolymres ne semblent pas causer de colmatage important. Ainsi, dans le cas des MBR, lge des boues peut tre maintenu entre 20 et 70 jours et la concentration des MES peut atteindre 20 000 mg/L, selon la documentation. Toutefois, des concentrations de cet ordre, la densit de la boue limite le taux de filtration des membranes ainsi que le transfert doxygne cause de phnomnes de

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viscosit. Pour ces raisons, la concentration des MES dans le MBR est limite 10 000 ou 12 000 mg/L (Atasi et collab., 2006). Puisque laptitude de la boue dcanter nest pas un facteur important lors de la conception ou de lexploitation de ce type de systme de traitement, les facteurs qui ont une influence sur la dcantabilit des boues, comme le rapport F/M de mme que le taux de charge volumique, ne sont pas prciss dans la documentation. La dcantation des boues ntant pas un facteur important, lexploitation de ce type de systme sen trouve simplifie. Lintensit de brassage requise dans le racteur biologique augmente avec la concentration des MES qui doivent tre maintenues en suspension. Ainsi, dans un MBR, la capacit installe du systme de brassage doit tre suffisante pour maintenir en suspension plus de 12 000 mg MES/L. Un taux de recirculation lev doit tre maintenu entre le racteur biologique et le bassin de filtration. Une recirculation de 200 % 400 % est recommande afin dviter que la concentration de MES augmente significativement dans le bassin de filtration, ce qui pourrait causer une diminution du taux de filtration et la dfaillance du systme. Dans les petits systmes, les membranes sont parfois installes directement dans le racteur biologique. Dans un tel cas, la recirculation nest pas ncessaire, mais un bassin de lavage des membranes est requis. Lorsquune dnitrification est prvue en tte de traitement (afin dconomiser de lnergie daration), le volume de la zone pranoxique doit tre augment afin de compenser les apports doxygne du systme de recyclage des boues (Krause et collab., 2010). 7.2.6 Racteurs biologiques squentiels (RBS) Les RBS constituent une variante particulire de procd par boues actives. La particularit de cette variante est que la dcantation de la biomasse seffectue directement dans les bassins daration plutt que dans un dcanteur spar. Le procd fonctionne en mode discontinu selon une squence comprenant typiquement les phases suivantes : remplissage, raction, dcantation, soutirage du surnageant et repos (figure 7.3). Lextraction des boues peut se faire soit en phase de raction, soit en phase de repos. Cette technologie sest largement dveloppe aux tats-Unis depuis le dbut des annes 1980. Au Qubec, quelques RBS dimportance ont t construits pour le traitement des eaux uses municipales. Il sagit de stations dune capacit denviron 20 000 m3/d chacune. Les rserves mentionnes la section 7.2.2 relatives aux conditions deaux dilues, aux apports irrguliers en substrat et la complexit dexploitation valent aussi pour les RBS et constituent des facteurs limitant pour leur applicabilit. Tel que mentionn la section 7.6, la qualification et la disponibilit de la main-duvre demeurent des lments clefs pour assurer la bonne marche dune boue active de type RBS.

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Remplissage

Raction

Dcantation

Soutirage du surnageant

Repos Figure 7.3 Phases typiques dun RBS Le volume des bassins doit tre dtermin partir dun bilan de masse bas sur la cintique biologique, en tenant compte des variations du niveau dexploitation lintrieur dun cycle. Il est recommand de viser une concentration minimale dau moins 2 000 mg/L de MVES. Une fois que le volume total requis a t dtermin, il faut fixer le nombre de racteurs, la dure moyenne dun cycle et des phases qui le composent. Pour un systme sans bassin tampon, les relations suivantes sappliquent :

..... repsoutdcracremplt tttttt (7.12)

..... )1( repsoutdcracrempl ttttnt (7.13)

Le temps de remplissage et le temps de raction peuvent se surimposer en partie lorsquune partie du remplissage se fait en mode mlang et ar.

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moins de prvoir un bassin tampon pour emmagasiner laffluent, il faut installer au moins deux racteurs pour pouvoir les exploiter en squence. Les dures typiques moyennes des phases peuvent atteindre 1,5 3 h pour la raction, incluant le temps de remplissage ar sil y a lieu, 0,5 1 h pour la dcantation et 1 h pour le soutirage (Ketchum, 1997). Le temps de repos constitue une marge de scurit pour les priodes o les dbits sont plus levs, surtout lorsque les variations de dbits sont difficilement prvisibles. Par analogie au slecteur (section 7.4.2), il est recommand de privilgier le remplissage rapide qui favorise le dveloppement dune biomasse offrant une meilleure qualit de dcantation (Irvine et collab., 1997, Roberge, 1991, Manning et Irvine, 1985, Irvine et Busch, 1979, Irvine, 1977). Lajout dun bassin tampon pour accumuler le substrat avec un systme permettant lalimentation rapide des racteurs permet dobtenir une biomasse qui dcante mieux et donne une plus grande flexibilit pour la modification de la dure des cycles. Le systme de soutirage de leffluent trait doit tre conu de faon prvenir lentranement des cumes ou des matires flottantes. Il doit galement tre conu de faon viter dvacuer leffluent une certaine quantit de la liqueur mixte qui aurait t emprisonne dans le dispositif lors de la phase de raction. Le systme daration et de mlange doit de prfrence tre conu pour permettre dintgrer une phase de mlange sans aration si cela est requis. Il faut sassurer que la capacit du systme est suffisante pour fournir loxygne ncessaire lintrieur de la priode prvue pour la phase are des cycles dexploitation. Le systme de contrle, de supervision et dacquisition de donnes (SCADA) doit permettre une gestion optimale des cycles dexploitation en fonction des variations prvues des dbits et des charges. Il doit intgrer les relevs en continu dont notamment, doxygne dissous, des niveaux deau, ltat des quipements lectriques et mcaniques, les signaux de mesure de dbit, etc. La programmation des cycles doit pouvoir tre modifie facilement pour tenir compte des conditions relles dalimentation. De nouveaux systmes de RBS dbit continu ont t mis au point dans les dernires annes (Gerardi et collab., 2010; Poltak et collab., 2005). Dans ces systmes de RBS, le racteur est aliment continuellement durant toutes les phases du cycle. Afin de rduire les problmes de court-circuit hydraulique, la partie amont du racteur est divise par une paroi pour dissiper lnergie de laffluent avant la zone de dcantation (Gerardi et collab., 2010). Selon la documentation, ce type de RBS peut tre sujet des pertes de biomasse au cours des priodes de pointe et donc prsenter en ces circonstances, une mauvaise qualit de leffluent (Poltak et collab., 2005).

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Tableau 7.3 Rsum des critres de conception usuels pour diffrentes configurations du procd de boues actives (adapt de Tchobanoglous et collab., 2003) Procd C F/M Charge

volumtrique XTES Taux de recyclage des boues

d kg DBO5/kg XVES d kg DBO5/m3 d mg MES/L h % Q

Racteur stabilisation et contact 5-10 0,2-0,6 1,0-1,3 1 000-3 000a 6 000-10 000b

0,5-1a 2-4b

50-150

Racteur coulement en piston 3-15 0,2-0,4 0,3-0,7 1 000-3 000 4-8 25-75 Racteur alimentation tage 3-15 0,2-0,4 0,7-1,0 1 500-4 000 3-5 25-75 Racteur compltement mlang 3-15 0,2-0,6 0,3-1,6 1 500-4 000 3-5 25-100 Racteur aration prolonge 20-40 0,04-0,10 0,1-0,3 2 000-5 000 20-30 50-150 Racteur biologique squentiel 10-30 0,04-0,10 0,1-0,3 2 000-5 000 15-40 s.o. Racteur biologique membranairec 10-70 0,02-0,5 - - 4 000-12 000 4-6 200-400 tangs de boues actives 40-70 0,04-0,10 0,1-0,3 1 500-5 000 20-50 50-150 a Dans le bassin de contact b Dans le bassin de stabilisation c Adapt dAtasi et collab., 2006.

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7.3 SPARATION SOLIDE-LIQUIDE 7.3.1 Dcantation secondaire La biomasse produite dans le racteur biologique est normalement spare de leffluent au moyen dun dcanteur par gravit, bien que, dans certains cas, cela peut se faire par flottation air dissous ou encore par membrane dans certaines technologies. Les principaux critres de conception dun dcanteur secondaire sont le taux de charge hydraulique (ou vitesse ascensionnelle) dbit moyen et dbit maximal, le taux decharge massique, la profondeur minimale et le taux de dbordement. Au Qubec, on retrouve deux types de dcanteurs, les dcanteurs dcantation floculante, utiliss dans les procds de boues actives, et les dcanteurs dcantation discrte, que lon retrouve sur de petites installations de traitement sans recirculation de boues. Les donnes releves dans la documentation pour la conception des dcanteurs sont bases principalement sur des tudes effectues sur des dcanteurs de systmes de boues actives, o la concentration de la biomasse est leve, ce qui entrane une floculation naturelle des boues et le dplacement de petites particules dans le voile de boues vers le fond dudcanteur. Dcanteur sdimentation discrte Les tudes ralises sur des dcanteurs des systmes de boues actives ne sont pasapplicables aux dcanteurs sdimentation discrte, dans lesquels les particules sont disperses et o les mcanismes de sdimentation sont entirement diffrents de ceux quon retrouve dans les dcanteurs de systmes avec recirculation de boues. Selon les observations effectues au Qubec, les dcanteurs de petites installations sans recirculation de boues prsentent des concentrations de MES leffluent trs variables et qui peuvent dpasser frquemment 60 mg de MES/L. Il semble difficile dobtenir sur une base rgulire des valeurs infrieures 20 mg de MES/L. Le rsultat de la dcantation semble dpendre dautres facteurs que la vitesse de dcantation lorsquelle est infrieure 8 m/d. Divers facteurs peuvent influencer le rendement de ces petits dcanteurs, dont les processus de dnitrification, surtout lorsque le temps de rtention des boues dans le dcanteur augmente, divers problmes de court-circuitage, etc. Il semble donc impratif de prvoir une extraction automatise des boues intervalles rapprochs, de prvoir des dflecteurs pour dissiper lnergie ladmission au dcanteur, des dflecteurs de sortie, des systmes de rcupration des cumes, ainsi que des quipements de dosage de sels mtalliques et de polymres pour assister la dcantation.

Les rsultats obtenus dans le systme de Suivi des Ouvrages Municipaux dAssainissement des Eaux (SOMAE) ou lors dessais effectus avec diverses nouvelles technologies indiquent quil demeure possible dobtenir une concentration de MES leffluent infrieure 25 mg/L sur une moyenne priodique (mesures sur des chantillons composites dau moins trois journes dchantillonnage) si le dcanteur est muni des quipements requis. La profondeur normalement requise pour un dcanteur secondaire est dau moins 3,6 m. Pour les plus petits dcanteurs, une profondeur un peu plus faible, soit de lordre de 2,5 3,0 m, peut tre acceptable. Dans le cas des dcanteurs dune capacit de moins de 20 m3/d et qui ne sont munis daucun dispositif mcanique de raclage des boues, une inclinaison dau moins 60 des parois et du fond du dcanteur est recommande pour prvenir les accumulations de boues. Dcanteur sdimentation flocule Les stations existantes de type boues actives au Qubec sont souvent exploites des ges de boues relativement levs et avec de faibles rapports substrats/microorganismes (F/M). Les critres de dcantation secondaire prsents et recommands dans ce guide sont ceux qui sont applicables dans les stations dites aration prolonge. Lorsquil sagit de stations existantes, la conception doit tre base sur la mthode danalyse des flux solides. Les caractristiques de la boue et les critres de conception retenus doivent tre valids en fonction des conditions relles de concentration de liqueur mixte, de la vitesse de sdimentation, de lindice de volume des boues et du taux de recirculation. Les taux de charge hydraulique (ou vitesse ascensionnelle) maximaux recommands, par rapport au dbit daffluent de la station, sont les suivants :

Q moyen 8 16 m3/m2.d; Q maximal 24 32 m3/m2.d.

Le taux de charge massique maximal recommand est de 100 150 kg/m2.d aux conditions moyennes dexploitation et de 160 210 kg/m2.d en pointe. La profondeur minimale recommande en priphrie est de 3,6 m. Bien quil ny ait pas de relation prcise tablie entre la profondeur et lefficacit des dcanteurs secondaires, ceux de plus de 5 m de profondeur donnent gnralement de meilleurs rendements que les dcanteurs moins profonds.

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Les taux de dbordement maximaux recommands sont de 125 250 m3/d par mtre linaire de dversoir, les valeurs les plus faibles tant recommandes pour les plus petits dcanteurs. Pour des dcanteurs circulaires, lutilisation dun dversoir priphrique est gnralement acceptable. Pour des dcanteurs rectangulaires, des dversoirs parallles au sens de la longueur sur environ 25 % 30 % de la longueur et espacs de 3 m sont souvent utiliss. Le dispositif dentre doit tre conu pour dissiper lnergie, assurer une bonne distribution du dbit, prvenir les courants de densit, viter de perturber le voile de boues et favoriser la floculation. La vitesse dentre ne doit pas dpasser 0,6 m/s. Dans le cas dun dcanteur circulaire alimentation centrale, le puits dentre occupe de 25 % 30 % du diamtre du dcanteur. Les dcanteurs secondaires doivent tre conus de faon permettre une bonne reprise des boues et empcher que celles-ci sjournent trop longtemps dans le dcanteur. Les dcanteurs secondaires sont gnralement munis de racleurs et peuvent tre munis de conduites de succion. Un dispositif de captage des matires flottantes et des cumes est requis. Sil sagit dun dispositif entranement mcanique, il doit pouvoir tre mis hors service si cela est ncessaire en hiver. Tableau 7.4 Critres de conception des dcanteurs secondaires

Vitesse ascensionnelle Charge massique Profondeur m3/m2 d kg/m2 h m Type de traitement

Qmoy Qpointe moyenne en pointe Sdimentation discrte 5-8 20-30 - - - - 3-5 Boue active (BA) 16-28 40-64 4-6 8 3,5-6 BA aration prolonge 8-16 24-32 1-5 7 3,5-6 BA avec slecteur 16-28 40-64 5-8 9 3,5-6 7.3.2 Filtration membranaire La sparation solide-liquide de la liqueur mixte dun systme de boues actives peut tre effectue par filtration sur des membranes immerges. Cette mthode de sparation a t instaure au Qubec au dbut des annes 2000. Depuis, de nombreux racteurs biologiques membranaires (MBR) ont t installs travers le monde et ont dmontr la robustesse et lefficacit de ce systme de traitement. Actuellement, diffrentes structures de membranes, diffrentes porosits de membranes et diffrents types de matriaux sont offerts par les fabricants. Les matriaux de fabrication des membranes doivent rsister aux produits chimiques utiliss pour le nettoyage des membranes, comme le chlore et certains acides ou certaines bases. Les membranes de cellulose dactate ou en polypropylne sont sensibles au chlore et doivent donc tre

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vites (Atasi et collab., 2006). Dans les MBR, les membranes utilises sont gnralement de type microfiltration (MF) et ultrafiltration (UF). Pour ce type dapplication, la porosit nominale des membranes se situe entre 0,01 et 1 m. Les membranes peuvent tre de type en feuillets ou tubulaire. Les systmes de filtration peuvent fonctionner en pression positive ou en pression ngative, selon le fabricant et lapplication vise. Pour des applications en eaux uses dorigine domestique, la filtration en pression ngative est largement rpandue. La conception de la surface de filtration ncessaire des systmes membranaires est base principalement sur les taux de filtration. Dans un MBR, le flux net de filtration peut tre de lordre de 14 25 L/m2*h si la concentration des MES dans la liqueur mixte demeure infrieure 12 000 mg/L 20 C (Atasi et collab., 2006). Ce flux doit tre rduit de 3 % par degr Celsius en dessous de 20 C. cause des rtrolavages priodiques, le flux net de filtration est infrieur au flux instantan selon un rapport qui peut varier entre 1,1 et 1,2 selon les squences de lavage programmes. Puisque le systme membranaire constitue un quipement limitant en matire de capacit hydraulique, la capacit nette de filtration la temprature de conception doit tre suprieure au dbit maximal instantan deau traiter. Une attention particulire doit tre porte au facteur de pointe de mme quau dbit deau parasite qui sera admis la station de traitement. Le systme de filtration doit tre divis en sous-units (modules) afin de faciliter le lavage des membranes tout en maintenant la capacit de traitement. Linstallation devrait tre en mesure de traiter le dbit maximal instantan avec 10 % des modules hors service. Afin de diminuer les pointes, et assurer plus de flexibilit dopration lors des priodes de lavage, un bassin tampon peut tre amnag en amont du MBR (figure 7.2). Laccumulation des MES et dautres composants tend former un gteau colmatant la surface des membranes. Afin de prvenir la formation de ce gteau colmatant, diverses techniques on t mises au point par lindustrie. De lair est souvent insuffl la base des modules de membrane afin de crer une turbulence qui remet en suspension les MES accumules la surface des membranes. Dans de tels cas, un taux daration de 0,2 0,9 Nm3/h par mtre carr de surface de membrane est gnralement recommand (Krauze et collab., 2010). Des priodes de relaxation des membranes peuvent aussi tre prvues. Malgr ces mesures, les membranes doivent tre nettoyes priodiquement par rtrolavage avec de leau filtre ou des produits chimiques, ou encore par immersion dans un bain de produits chimiques. Une squence typique de nettoyage prprogramme peut tre dfinie comme suit (Atasi et collab., 2006) :

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Nettoyage typique des membranes : Rtrolavage leau ultrafiltre :

a. toutes les 10 min pendant 30 sec; b. Dbit de rtrolavage : 10 L/h par mtre carr de membrane.

Lavage chimique : i. Rtrolavage au chlore (100 1000 mg/L) ou lacide citrique (pH < 3); ii. Lavage par immersion du module dans une solution de chlore (100 1 000 mg/L) ou dacide citrique (pH < 3) pendant 1 2 h; iii. la suite du lavage, dchloration et neutralisation des eaux rsiduaires avant de les rejeter en tte du systme de traitement des eaux (6 < pH < 9; Cl rsiduel libre < 0,05 mg/L).

Pour viter le colmatage excessif des membranes, le diffrentiel de pression entre lamont et laval des membranes doit tre suivi en continu et li des alarmes. Aussi, les membranes peuvent subir une perte dintgrit. Ainsi au besoin, un dispositif peut tre prvu pour permettre la dtection des fuites. Tous les quipements mcaniques et accessoires requis pour effectuer le nettoyage des membranes, le suivi et lentretien du MBR doivent tre prvus dans les plans et devis.

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7.4 MCANIQUE DE PROCD 7.4.1 Extraction des boues Les boues en excs doivent tre extraites de la chane liquide. Lextraction des boues peut se faire partir du dcanteur, du bassin de filtration membranaire, de la conduite de recirculation des boues ou encore directement de la liqueur mixte du bassin daration. Bien des problmes dexploitation des stations mcanises de traitement des eaux uses sont relis la chane de traitement des solides, dont la mauvaise gestion des solides, la sous-capacit de la chane solide, la dfaillance des pompes boues, le blocage des conduites par des cumes et des graisses, dans les systmes de digestion anarobie, le blocage des conduites par des cristaux solides, etc. La conception des quipements de la chane de traitement des boues doit tenir compte dun facteur de pointe sur la charge quotidienne de boues extraire, entre autres pour tenir compte des variations saisonnires et quotidiennes de la charge, ou, par exemple, cause de surcharges solides la suite dun arrt temporaire du systme dextraction des boues. Dans le pass, une pratique courante dans les petites installations consistait retourner les boues secondaires dans le dcanteur primaire ou la fosse septique. Des problmes de perturbation du procd ont t constats dans plusieurs installations lorsque des boues secondaires contenant de la biomasse active et des nitrates taient mlanges aux boues primaires. Il est donc nettement prfrable damnager un bassin spar demmagasinage des boues secondaires et de ne retourner que le surnageant en tte du traitement. 7.4.2 Slecteur Plusieurs facteurs peuvent favoriser ou non la croissance des microorganismes qui composent la liqueur mixte et qui influencent la dcantabilit de la boue (Jenkins et collab., 2003). Il est possible dinfluencer slectivement la croissance de certaines espces de bactries de faon favoriser davantage le dveloppement de bactries floculantes plutt que de bactries filamenteuses en crant des conditions propices de contact entre le substrat et les microorganismes. Dans les procds aration prolonge, o le rapport F/M est gnralement faible, il est recommand dajouter un bassin court temps de rtention, nomm slecteur, lentre du bioracteur (Krause et collab., 2010). Les boues recircules sont mises en contact avec le substrat de laffluent dans cet espace restreint. Le slecteur peut tre arobie, anoxique ou anarobie. Pour des eaux uses domestiques, le volume dun slecteur a gnralement un temps de rtention hydraulique de lordre de 20 60 minutes (Tchobanoglous et collab., 2003). Les slecteurs haut rapport F/M sont gnralement subdiviss en trois sous-bassins. Lorsque le slecteur est arobie, la concentration en oxygne dissous doit tre maintenue plus de 6 mgO2/L. Toutefois les slecteurs arobies favorisent la formation de polysaccharides qui

peuvent influer ngativement le rendement du systme de traitement (Tchobanoglous et collab., 2003; Krause et collab., 2010). Si le slecteur est anoxique, le rapport F/M peut tre constitu soit de trois bassins en srie, soit dun seul avec un rapport F/M global de 1,5 kg DCO/kg en MVES. Lorsque le slecteur est constitu de trois bassins anoxiques, lindice de volume des boues (sludge volume index) rapport est de lordre de 65 90 mL/g. Sil est constitu dun seul bassin, lindice de volume des boues rapport est de lordre de 100 120 mL/g. En plus de rduire lazote total, lavantage du slecteur anoxique est quil rduit la demande en oxygne grce aux processus de dnitrification, ce qui diminue la demande nergtique. Si le slecteur est anarobique, le temps de rtention hydraulique doit tre de lordre de 0,75 2 heures (Tchobanoglous et collab., 2003; Krause et collab., 2010). Le bassin doit tre muni dun dispositif de brassage mcanique de faon pouvoir fonctionner sans apport doxygne sil y a lieu. 7.4.3 Systme daration Les calculs du systme daration sont bass sur les besoins en oxygne en conditions relles, le taux de transfert doxygne en conditions standards des quipements considrs et le rapport entre le taux de transfert en conditions relles et le taux de transfert en conditions standards. Il faut aussi sassurer que les conditions de mlange sont suffisantes pour permettre une bonne rpartition de loxygne dissous et pour maintenir les solides en suspension dans la liqueur mixte. Les besoins en oxygne comprennent la demande carbone et la demande azote. Une faon courante de calculer la demande carbone est de considrer la masse totale en DBO ultime utilise et dy soustraire la demande qui correspond aux microorganismes contenus dans les boues extraites (Tchobanoglous et collab., 2003). La demande totale en oxygne en conditions relles peut tre exprime au moyen de lquation 7.12.

1000)(57,4)1(*

)1(1000)(42,1

1000000 e

CddCd

ee NNQkfkSSQYSSQAOR

(7.12) Un facteur de pointe dau moins 2 est gnralement appliqu la charge en DBO pour calculer la capacit maximale du systme daration. Un facteur plus lev peut tre requis en fonction de conditions particulires dalimentation. Plusieurs types dquipements daration peuvent tre utiliss, quil sagisse de diffuseurs poreux, de diffuseurs non poreux, de jets, darateurs mcaniques de surface ou autres. Peu importe les quipements considrs, le taux de transfert doxygne de ceux-ci doit tre bas sur des rsultats dessais de rendement en conditions standards conformment la norme ASCE 1992.

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Le rapport entre le taux de transfert en conditions standards et le taux de transfert en conditions relles doit tre tabli, tel quil est indiqu pour les tangs ars la section 6. La concentration minimale en oxygne dissous maintenir dans les bassins est de 2 mg/L en conditions moyennes et de 0,5 mg/L en conditions de pointe. Les valeurs du produit F mesures dans des stations municipales diffuseurs poreux aux tats-Unis stendaient entre 0,1 et 0,7 avec une moyenne denviron 0,4. Toutefois, la concentration leve de MES dans la liqueur mixte des MBR peut affecter le transfert doxygne en rduisant davantage la constante (Atasi et collab., 2006). La capacit du systme daration du racteur biologique (dbit dair, nombre de diffuseurs, puissance) doit tre dtermine pour satisfaire tous les besoins en oxygne lors de la demande maximale avec une temprature deau leve pour la saison. Le systme daration doit tre conu de faon pouvoir ajuster la quantit dair fourni dans le racteur en fonction des variations de la demande en oxygne. En plus de prvoir les besoins en oxygne, il faut vrifier si la capacit du systme daration est suffisante pour assurer des conditions adquates de mlange dans les bassins. Les valeurs typiques cites cette fin dans la documentation sont : 20 30 m3 dair/min.1000 m3 pour un systme de diffusion dair entranant un

mouvement en spirale; 10 15 m3 dair/min.1000 m3 pour un systme de diffusion dair rparti uniformment

sur la superficie du bassin; 20 40 kW/1000 m3 pour des arateurs mcaniques. Les caractristiques du systme daration doivent tre prcises : puissance installe, nombre et type darateurs sil sagit darateurs mcaniques ou dbit dair, pression de service, nombre et type de soufflantes et de diffuseurs, rseau de distribution dair sil sagit dun systme de diffusion. Dans ce dernier cas, les pertes de charge dans le rseau de distribution doivent tre calcules. Il est ncessaire de prvoir une soufflante en attente. La tuyauterie doit tre conue de telle sorte que les pertes de charge dans celle-ci soient relativement faibles comparativement aux pertes de charge dans les diffuseurs. Les diffuseurs doivent tre facilement accessibles ou amovibles pour en permettre lentretien. Si des soufflantes qui alimentent les bassins daration doivent galement fournir de lair pour dautres composantes de la station (bassins de boues ou autres), les besoins additionnels doivent tre dtermins.

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7-27 octobre 2012

7.5 RENDEMENT Les quations prsentes la section 7.2.3 de ce chapitre permettent de dterminer la concentration de DBO5C soluble et de MES leffluent du racteur biologique. Ainsi, afin de dterminer quelle sera la concentration de DBO5C totale leffluent du systme de sparation solide liquide, la DBO5C particulaire doit tre ajoute la DBO5C soluble calcule pour dfinir la capacit de lquipement de procd ou de la chane de traitement respecter une exigence de rejet exprime en DBO5C totale. Or, si on admet un rapport DCObio/DBO5 de 1,6, le rapport DBO5C particulaire/MVES peut tre tabli environ 0,9. Ainsi le rapport DBO5C particulaire/MES peut varier entre 0,4 et 0,75 selon lge des boues. 7.5.1 Boues actives avec dcanteur Selon la documentation, le rendement dun dcanteur de boues actives permet datteindre une concentration moyenne annuelle leffluent de 10 mg/L en MES ou assurer au moins 90 % denlvement pour ce paramtre dans la mesure o sa profondeur est de prs de 5 m. La concentration de solides leffluent augmente lorsque la profondeur diminue (Krause et collab., 2010). Les rsultats de suivi des stations de type boues actives avec dcantation au Qubec confirment quen gnral ces stations atteignent un enlvement denviron 90% sur la DBO5C et les MES. En gnral, elles peuvent respecter une moyenne priodique (sur la base de 3 rsultats ou plus) de 20 mg/L en DBO5 et en MES. 7.5.2 Boues actives avec filtration membranaire Selon la documentation, le rendement dune station de type MBR permet datteindre une concentration moyenne annuelle ou priodique (moyenne de trois rsultats ou plus) leffluent infrieure 5 mg DBO5/L et infrieure la limite de dtection de la mthode MES (3 mg/L) ou assurer au moins 97 % et 99 % denlvement respectivement pour ces paramtres (Atasi et collab., 2010). Toutefois, au Qubec, les exigences sont formules en respect des limites de quantification des mthodes de mesure qui sont de 10 mg/L en MES. Dans les MBR, les membranes utilises ont une porosit nominale qui se situe entre 0,01 et 0,1 m. Ce type de membrane est donc en mesure de retenir les bactries comme les coliformes, mais ne semble pas tre en mesure de retenir tous les virus qui ont un diamtre variant entre 0,001 et 0,1 m. Selon la documentation, un MBR peut entraner un abattement allant jusqu 6 log des bactries coliformes et 3 log des virus (Atasi et collab., 2006).

7.6 EXPLOITATION Un suivi de la qualit de leffluent doit tre effectu conformment aux exigences pour un projet standard prvues dans lannexe 4 du Guide de prsentation des demandes dautorisation pour les systmes de traitement des eaux uses dorigine domestique. Le bon fonctionnement dun systme de traitement par boues actives repose la fois sur un ensemble dquipements mcaniques et sur un quilibre biologique relativement fragile pouvant affecter la dcantabilit des boues. Ce genre de systme est complexe exploiter; la documentation fait largement mention des difficults dexploitation susceptibles de se produire qui sont associes la dcantation et lexploitation du systme de gestion de boues. La qualification de la main-duvre constitue un lment essentiel pour sassurer quune station mcanise puisse tre exploite adquatement. Loprateur doit avoir une formation adquate et possder de bonnes connaissances du procd de traitement, en chimie, en microbiologie, en lectricit, en instrumentation et contrle ainsi quen mcanique (Bernier, 1992). La bonne marche du systme ncessite non seulement lexploitation et lentretien des quipements mcaniques, lectriques et lectroniques, mais galement un suivi et une comprhension des mcanismes en jeu dans le procd biologique, de faon pouvoir apporter rapidement les modifications requises en cas de dtrioration. Dans le cas dune petite station o lexpertise du propritaire ou de la municipalit est parfois limite, un contrat dexploitation doit tre donn un expert. Parce que les stations de type boues actives sont gnralement munies dquipements de prtraitement, soit un dgrillage et souvent un dessablage, lexploitant doit sassurer du bon fonctionnement de ces quipements et en effectuer lentretien rgulier. Il en est de mme pour la dcantation primaire, le cas chant. Linspection frquente des eaux uses dans ces tapes de traitement pralables peut servir dtecter des problmes relis aux apports deaux uses (dversements illicites, dilution excessive, affluent septique). Lexploitation du cur du procd comprend le racteur biologique et son systme daration, le dcanteur secondaire ou la filtration membranaire, la recirculation et lextraction (ou le systme dvacuation de leffluent et la gestion des cycles dans le cas des RBS) et surtout le maintien dune masse biologique adquate. Le bon fonctionnement du systme d'aration ncessite des inspections visuelles, des mesures doxygne dissous, lentretien rgulier de tous les quipements (soufflantes, vannes, diffuseurs, arateurs mcaniques) ainsi que les ajustements du dbit dair ou de la dure des phases daration.

7-28 octobre 2012

Le maintien dune masse biologique adquate inclut la concentration de la liqueur mixte, le taux de recirculation, la masse extraite (extraction des boues) ainsi que la qualit de la biomasse. La qualit de la biomasse peut tre vrifie rgulirement en mesurant lindice de volume de boues, ou indice de Mohlman, et en observant les indices visuels comme la couleur de la liqueur mixte, la prsence et les caractristiques de la mousse, ltat de floculation ou autres. Des observations microscopiques occasionnelles de la liqueur mixte peuvent savrer un atout important pour diagnostiquer les faiblesses du procd et permettre de faire les modifications ncessaires. Les vrifications effectuer pour la dcantation secondaire comprennent le fonctionnement adquat des quipements mcaniques tels les racleurs de fond et dcume, les problmes hydrauliques, la reprise des boues, la prsence anormale de matires flottantes, dun voile de boues lev ou dune dfloculation, lajustement des dversoirs et leur nettoyage lorsque cela est ncessaire. Il faut sassurer que le taux de recirculation de boues ainsi que la frquence et le taux dextraction de boues soient fixs adquatement et quils sont ajusts lorsque cela est ncessaire. Tout bouchage ou autre problme de recirculation de boues doit tre rgl sans retard. La chane de boues ncessite la mme attention que la chane liquide, lexploitation tant fonction des tapes de traitement de boues qui font partie de la chane. Il faut faire attention de ne pas perturber le fonctionnement du racteur biologique avec les retours en provenance de la chane des boues. Dans les petites stations munies dun seul bassin de stockage ar avec retour cyclique de surnageant, des surcharges hydrauliques et organiques du traitement peuvent souvent tre entranes par une gestion inadquate du bassin de boues. Les volumes des boues vacues doivent tre nots et la siccit doit tre mesure tous les mois ou lors de chaque vacuation de boues. Des analyses de la qualit des boues sont requises au moins une fois par an ou plus souvent selon la destination des boues. Lexploitant doit aussi assurer lentretien gnral des lieux, des btiments et de la mcanique du btiment, des bassins, de tous les rseaux de tuyauterie et des quipements de contrle. Les recommandations dexploitation ci-dessus ne sont pas exhaustives. Le concepteur de la station doit prparer un manuel dexploitation complet, adapt aux quipements installs. Il doit permettre lexploitant de bien comprendre le fonctionnement du systme et linformer des tches accomplir. De nombreux ouvrages complmentaires sur lexploitation des stations dpuration peuvent tre consults, dont le manuel dexploitation de la Water Environment Federation (Nelson et collab., 2007), ainsi que diverses publications de lEnvironmental Protection Agency (EPA) relativement lexploitation des systmes de traitement biologique, des boues actives et des stations compactes.

7-29 octobre 2012

Pour les stations de traitement municipales, le ministre des Affaires municipales, des Rgions et de lOccupation du territoire prcise le programme de suivi qui doit tre implant en fonction du type et de la taille de la station. Ces informations peuvent tre consultes ladresse suivante : http://www.mamrot.gouv.qc.ca/pub/infrastructures/suivi_ouvrages_assainissement_eaux/programme_suivi_station_epuration.pdf.

7-30 octobre 2012

Liste des symboles

Symbole Unit Dfinition AOR kg O2/d Besoins en oxygne aux conditions relles fd Sans unit Fraction de dbris cellulaires non biodgradables fV Sans unit Fraction volatile des matires en suspension kd

d-1 Coefficient de respiration endogne ajust en fonction de la temprature de leau

KS mg DCO/L Constante de demi-saturation n Nombre de racteurs N0 mg N-NTK/L Concentration en azote Kjeldahl laffluent Ne mg N-NTK/L Concentration en azote Kjeldahl leffluent PXVES

kg MVES/d Masse de matires volatiles produites (incluant les non-biodgradables laffluent)

PX,CHIM kg /d Masse de boues chimiques PXTES kg MES/d Masse totale de matires en suspension produites Q m3/d Dbit deaux uses QB m3/d Volume de boues extraites par jour S0 mg DCO/L Concentration de substrat soluble laffluent Se mg DCO/L Concentration de substrat soluble leffluent T C Temprature tt h Dure totale dun cycle dun racteur trempl. h Temps de remplissage dun racteur trac. h Temps de raction dun racteur tdc. h Temps de dcantation dun racteur tsout. h Temps de soutirage du surnageant dun racteur trep. h Temps de repos dun racteur trempl. (n-1) h Temps de remplissage de n-1 racteurs V m3 volume du racteur X mg MVES/L Concentration de la biomasse active

XTES mg MES/L

Concentration de matires en suspension dans la liqueur mixte

(XTES)0 mg MES/L Concentration de matires en suspension dans laffluent XVES

mg MVES/L Concentration des matires volatiles dans la liqueur mixte

(XVES)B mg MVES/L

Concentration des matires volatiles en suspension dans les boues extraites

(XVES)e mg MVES/L Concentration de matires volatiles leffluent (XVESi)0

mg MVESi/L Concentration de matires volatiles non biodgradables en suspension dans laffluent

Y kg MVES/kg DCO Coefficient de synthse

d-1 Taux de croissance de la biomasse active, ajust en fonction de la temprature

7-31 octobre 2012

Symbole Unit Dfinition

Sans unit Coefficient de temprature Sans unit Coefficient de temprature du taux de croissance kd Sans unit Coefficient de temprature du taux de dprissement c d ge des boues d Temps de rsidence hydraulique

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7-32 octobre 2012

7-33 octobre 2012

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