Études de cas pratique

EGC

Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées

Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées en Assainissement

Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées en Assainissement

Comprendre la Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées en Assainissement

La dénitrification est un processus biologique essentiel dans le traitement avancé des eaux usées, visant à éliminer les nitrates (\(NO_3^-\)). Les nitrates, s'ils sont rejetés en excès dans les milieux aquatiques, peuvent provoquer l'eutrophisation (prolifération excessive d'algues) et contaminer les sources d'eau potable. La dénitrification est réalisée par des bactéries spécifiques (dénitrifiantes) qui, en conditions anoxiques (absence d'oxygène dissous mais présence de nitrates), utilisent les nitrates comme accepteur d'électrons pour oxyder une source de carbone organique (le "donneur d'électrons"). Ce processus transforme les nitrates en diazote gazeux (\(N_2\)), un composant inoffensif de l'atmosphère, qui est ensuite libéré. La maîtrise de la dénitrification est donc cruciale pour respecter les normes de rejet et protéger l'environnement.

Données de l'étude

Une station d'épuration urbaine traite un débit moyen journalier d'eaux usées. Après l'étape de nitrification, l'effluent présente une concentration notable en nitrates qu'il faut réduire avant rejet. On dimensionne une zone anoxique pour la dénitrification.

Caractéristiques et Données :

  • Débit moyen journalier à traiter (\(Q\)) : \(5000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • Concentration en nitrates à l'entrée de la zone anoxique (\(C_{NO3,in}\)) : \(45 \, \text{mg N-NO}_3^-\text{/L}\)
  • Concentration en nitrates souhaitée en sortie (\(C_{NO3,out}\)) : \(10 \, \text{mg N-NO}_3^-\text{/L}\)
  • Ratio DCO / N-NO₃⁻ nécessaire pour la dénitrification (utilisation de DCO endogène et/ou méthanol) : \(R_{\text{DCO/N}} = 4.5 \, \text{g DCO / g N-NO}_3^-\text{ réduit}\)
  • Production d'alcalinité par la dénitrification : \(Prod_{\text{alca}} = 3.57 \, \text{g CaCO}_3 \text{ / g N-NO}_3^-\text{ réduit}\)
  • DCO disponible dans l'influent de la zone anoxique (après traitements primaires et nitrification) : \(DCO_{\text{dispo}} = 30 \, \text{mg/L}\)
Schéma Simplifié d'une Zone de Dénitrification
Eau nitrifiée Q, C_NO3,in Zone Anoxique Bactéries dénitrifiantes Apport DCO externe N2 (gaz) Eau dénitrifiée Q, C_NO3,out Processus de dénitrification en zone anoxique.

Schéma d'une étape de dénitrification avec entrée d'eau nitrifiée, zone anoxique avec bactéries et source de carbone, et sortie d'eau dénitrifiée et d'azote gazeux.

Questions à Traiter

  1. Calculer la masse de nitrates (en kg N-NO₃⁻/jour) à éliminer quotidiennement.
  2. Calculer la quantité totale de DCO requise par jour pour la dénitrification (en kg DCO/jour).
  3. Calculer la quantité de DCO fournie par l'influent de la zone anoxique (en kg DCO/jour).
  4. Déterminer si un apport externe de DCO est nécessaire. Si oui, calculer la quantité de DCO externe à ajouter par jour (en kg DCO/jour).
  5. Calculer la quantité d'alcalinité produite par jour grâce à la dénitrification (en kg CaCO₃/jour).
  6. Quelles sont les principales conditions environnementales à maintenir dans une zone anoxique pour optimiser la dénitrification ?
  7. Citer deux types de sources de carbone externe couramment utilisées en dénitrification et discuter brièvement d'un avantage et d'un inconvénient pour chacune.

Correction : Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées en Assainissement

Question 1 : Masse de nitrates à éliminer (\(M_{N-NO3,elim}\))

Principe / Rappel Théorique :

La masse de nitrates à éliminer est la différence entre la masse de nitrates entrant et la masse de nitrates sortant de la zone de dénitrification. La masse est le produit du débit par la concentration (attention aux unités).

Formule(s) Clé(s) :
\[\Delta C_{NO3} = C_{NO3,in} - C_{NO3,out}\] \[M_{N-NO3,elim} = Q \times \Delta C_{NO3}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit (\(Q\)): \(5000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • Concentration nitrates en entrée (\(C_{NO3,in}\)): \(45 \, \text{mg N-NO}_3^-\text{/L}\)
  • Concentration nitrates en sortie (\(C_{NO3,out}\)): \(10 \, \text{mg N-NO}_3^-\text{/L}\)
Calcul et Développement :

D'abord, calculer la différence de concentration :

\[ \begin{aligned} \Delta C_{NO3} &= 45 \, \text{mg N/L} - 10 \, \text{mg N/L} \\ &= 35 \, \text{mg N/L} \end{aligned} \]

Convertir la concentration en g/m³ (1 mg/L = 1 g/m³) : \(\Delta C_{NO3} = 35 \, \text{g N/m}^3\)

Calculer la masse à éliminer :

\[ \begin{aligned} M_{N-NO3,elim} &= 5000 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 35 \, \text{g N/m}^3 \\ &= 175000 \, \text{g N/jour} \end{aligned} \]

Conversion en kg N/jour :

\[ M_{N-NO3,elim} = \frac{175000 \, \text{g N/jour}}{1000 \, \text{g/kg}} = 175 \, \text{kg N-NO}_3^-\text{/jour} \]
Résultat Question 1 : La masse de nitrates à éliminer est \(M_{N-NO3,elim} = 175 \, \text{kg N-NO}_3^-\text{/jour}\).

Question 2 : Quantité totale de DCO requise (\(DCO_{req}\))

Principe / Rappel Théorique :

La quantité de DCO requise dépend de la masse de nitrates à éliminer et du ratio DCO/N-NO₃⁻ spécifique au processus de dénitrification.

Formule(s) Clé(s) :
\[DCO_{req} = M_{N-NO3,elim} \times R_{\text{DCO/N}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Masse de nitrates à éliminer (\(M_{N-NO3,elim}\)): \(175 \, \text{kg N-NO}_3^-\text{/jour}\)
  • Ratio DCO/N-NO₃⁻ (\(R_{\text{DCO/N}}\)): \(4.5 \, \text{g DCO / g N-NO}_3^-\) (soit \(4.5 \, \text{kg DCO / kg N-NO}_3^-\))
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} DCO_{req} &= 175 \, \text{kg N/jour} \times 4.5 \, \text{kg DCO/kg N} \\ &= 787.5 \, \text{kg DCO/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La quantité totale de DCO requise par jour est \(DCO_{req} = 787.5 \, \text{kg DCO/jour}\).

Question 3 : Quantité de DCO fournie par l'influent (\(DCO_{apport,influ}\))

Principe / Rappel Théorique :

La DCO apportée par l'influent de la zone anoxique est calculée à partir du débit et de la concentration en DCO disponible dans cet influent.

Formule(s) Clé(s) :
\[DCO_{apport,influ} = Q \times DCO_{\text{dispo}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit (\(Q\)): \(5000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • DCO disponible dans l'influent (\(DCO_{\text{dispo}}\)): \(30 \, \text{mg/L}\)
Calcul et Développement :

Convertir la concentration en g/m³ (1 mg/L = 1 g/m³) : \(DCO_{\text{dispo}} = 30 \, \text{g/m}^3\)

\[ \begin{aligned} DCO_{apport,influ} &= 5000 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 30 \, \text{g/m}^3 \\ &= 150000 \, \text{g DCO/jour} \end{aligned} \]

Conversion en kg DCO/jour :

\[ DCO_{apport,influ} = \frac{150000 \, \text{g DCO/jour}}{1000 \, \text{g/kg}} = 150 \, \text{kg DCO/jour} \]
Résultat Question 3 : La quantité de DCO fournie par l'influent est \(DCO_{apport,influ} = 150 \, \text{kg DCO/jour}\).

Question 4 : Apport externe de DCO nécessaire (\(DCO_{ext}\))

Principe / Rappel Théorique :

Si la DCO requise pour la dénitrification est supérieure à la DCO disponible dans l'influent, un apport externe de source de carbone est nécessaire. Cet apport est la différence entre la DCO requise et la DCO disponible.

Formule(s) Clé(s) :
\[DCO_{ext} = DCO_{req} - DCO_{apport,influ}\]

(Si \(DCO_{ext} > 0\), un apport est nécessaire)

Données Spécifiques pour cette Question :
  • DCO requise (\(DCO_{req}\)): \(787.5 \, \text{kg DCO/jour}\)
  • DCO apportée par l'influent (\(DCO_{apport,influ}\)): \(150 \, \text{kg DCO/jour}\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} DCO_{ext} &= 787.5 \, \text{kg DCO/jour} - 150 \, \text{kg DCO/jour} \\ &= 637.5 \, \text{kg DCO/jour} \end{aligned} \]

Puisque \(DCO_{ext} > 0\), un apport externe de DCO est bien nécessaire.

Résultat Question 4 : Un apport externe de \(637.5 \, \text{kg DCO/jour}\) est nécessaire.

Question 5 : Alcalinité produite (\(Alca_{prod}\))

Principe / Rappel Théorique :

La dénitrification est un processus qui produit de l'alcalinité, ce qui peut aider à compenser l'alcalinité consommée lors de l'étape de nitrification précédente.

Formule(s) Clé(s) :
\[Alca_{prod} = M_{N-NO3,elim} \times Prod_{\text{alca}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Masse de nitrates à éliminer (\(M_{N-NO3,elim}\)): \(175 \, \text{kg N-NO}_3^-\text{/jour}\)
  • Production d'alcalinité (\(Prod_{\text{alca}}\)): \(3.57 \, \text{g CaCO}_3 \text{ / g N-NO}_3^-\) (soit \(3.57 \, \text{kg CaCO}_3 \text{ / kg N-NO}_3^-\))
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} Alca_{prod} &= 175 \, \text{kg N/jour} \times 3.57 \, \text{kg CaCO}_3\text{/kg N} \\ &= 624.75 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La quantité d'alcalinité produite par jour est \(Alca_{prod} = 624.75 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour}\).

Question 6 : Conditions optimales pour la dénitrification

Explication :

Pour optimiser la dénitrification, plusieurs conditions environnementales doivent être maintenues dans la zone anoxique :

  • Conditions anoxiques strictes : L'oxygène dissous (\(O_2\)) doit être absent ou présent à des concentrations très faibles (typiquement \(< 0.2 - 0.5 \, \text{mg/L}\)). Si de l'oxygène est présent, les bactéries hétérotrophes préféreront l'utiliser comme accepteur d'électrons plutôt que les nitrates, inhibant la dénitrification.
  • Présence d'une source de carbone organique (donneur d'électrons) : Les bactéries dénitrifiantes sont majoritairement hétérotrophes et nécessitent une source de carbone facilement biodégradable (DCO) pour leur métabolisme et pour réduire les nitrates. Cette source peut être la DCO endogène des eaux usées ou une source externe ajoutée (méthanol, éthanol, acétate, etc.).
  • Présence de nitrates : Les nitrates (\(NO_3^-\)) ou les nitrites (\(NO_2^-\)) doivent être disponibles comme accepteurs d'électrons. La dénitrification suit souvent une étape de nitrification qui convertit l'ammoniac en nitrates.
  • Température : La vitesse de dénitrification augmente avec la température, dans une plage optimale généralement située entre 20°C et 30°C. Des températures plus basses ralentissent significativement le processus.
  • pH : Le pH optimal pour la plupart des bactéries dénitrifiantes se situe entre 7.0 et 8.5. Des pH extrêmes peuvent inhiber leur activité.
  • Absence de substances toxiques : Certains composés (métaux lourds, certains produits chimiques organiques) peuvent être toxiques pour les bactéries dénitrifiantes et inhiber le processus.
  • Temps de séjour suffisant : Les eaux usées doivent séjourner suffisamment longtemps dans la zone anoxique pour permettre aux bactéries de réaliser la dénitrification.
  • Bon mélange : Un mélange adéquat dans la zone anoxique est nécessaire pour assurer un bon contact entre les bactéries, les nitrates et la source de carbone, mais sans introduire d'oxygène.

Question 7 : Sources de carbone externe pour la dénitrification

Explication :

Lorsque la DCO naturellement présente dans les eaux usées (DCO endogène) n'est pas suffisante pour atteindre les objectifs de dénitrification, une source de carbone externe doit être ajoutée. Deux exemples courants sont :

  1. Méthanol (\(CH_3OH\))
    • Avantage : C'est une source de carbone relativement peu coûteuse, pure et facilement biodégradable par des bactéries dénitrifiantes spécifiques. Il permet d'atteindre des vitesses de dénitrification élevées et ne contribue pas à la formation de boues en excès de manière significative (faible coefficient de croissance des bactéries méthanotrophes).
    • Inconvénient : Le méthanol est toxique et inflammable, ce qui nécessite des précautions de stockage et de manipulation. Un surdosage peut entraîner le passage de méthanol résiduel dans l'effluent traité, augmentant la DCO de sortie et potentiellement toxique pour le milieu récepteur. L'acclimatation des bactéries peut prendre un certain temps.
  2. Acétate (par exemple, sous forme d'acide acétique \(CH_3COOH\) ou d'acétate de sodium \(CH_3COONa\))
    • Avantage : L'acétate est rapidement et facilement utilisé par une large gamme de bactéries dénitrifiantes, permettant des vitesses de dénitrification élevées et une bonne fiabilité du processus. Il est généralement moins toxique que le méthanol et plus facile à manipuler.
    • Inconvénient : L'acétate est généralement plus cher que le méthanol. Son utilisation peut également conduire à une production de biomasse légèrement plus importante que le méthanol, ce qui peut augmenter les coûts de gestion des boues.

D'autres sources comme l'éthanol, le glycérol, ou même certains sous-produits industriels riches en carbone peuvent aussi être utilisées, le choix dépendant des coûts, de la disponibilité, de la facilité de manipulation, des vitesses de dénitrification souhaitées et des impacts sur la production de boues.

Quiz Récapitulatif

1. La dénitrification est un processus qui transforme principalement les nitrates en :

2. Quelle condition est essentielle pour la dénitrification biologique ?

3. La dénitrification contribue à :

Glossaire des Termes Clés

Dénitrification
Processus biologique de réduction des nitrates (\(NO_3^-\)) et des nitrites (\(NO_2^-\)) en diazote gazeux (\(N_2\)), réalisé par des micro-organismes spécifiques en conditions anoxiques et en présence d'une source de carbone organique.
Nitrates (\(N-NO_3^-\))
Forme oxydée de l'azote, soluble dans l'eau. Une concentration excessive dans les rejets peut causer l'eutrophisation des milieux aquatiques. L'azote est exprimé en "mg N-NO₃⁻/L" ou "mg N/L".
Anoxie (Conditions Anoxiques)
Conditions environnementales caractérisées par l'absence d'oxygène moléculaire dissous (\(O_2\)), mais où d'autres accepteurs d'électrons, comme les nitrates, sont présents et peuvent être utilisés par certains micro-organismes pour leur respiration.
DCO (Demande Chimique en Oxygène)
Mesure de la quantité d'oxygène nécessaire pour oxyder chimiquement toute la matière organique (biodégradable ou non) et les substances minérales oxydables présentes dans un échantillon d'eau. Exprimée en mg O₂/L.
Source de Carbone Organique (Donneur d'électrons)
Substance organique utilisée par les micro-organismes hétérotrophes (comme les bactéries dénitrifiantes) comme source d'énergie et de carbone pour leur croissance et leur métabolisme. Dans la dénitrification, elle fournit les électrons nécessaires à la réduction des nitrates.
Alcalinité
Capacité de l'eau à neutraliser les acides. Elle est principalement due à la présence d'ions bicarbonate (\(HCO_3^-\)), carbonate (\(CO_3^{2-}\)) et hydroxyde (\(OH^-\)). La dénitrification produit de l'alcalinité, tandis que la nitrification en consomme.
Nitrification
Processus biologique en deux étapes réalisé en conditions aérobies, où l'ammoniac (\(NH_4^+/NH_3\)) est d'abord oxydé en nitrites (\(NO_2^-\)) par des bactéries nitritantes, puis les nitrites sont oxydés en nitrates (\(NO_3^-\)) par des bactéries nitratantes.
Exercice : Dénitrification pour le Traitement des Eaux Usées en Assainissement

D’autres exercices d’assainissement:

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *