Traitement de l'Azote en Station d'Épuration

Contexte : L'élimination de l'azote des eaux usées.

L'azote, principalement sous forme d'ammonium (\(NH_4^+\))Forme ionique de l'ammoniac, principal polluant azoté dans les eaux usées brutes., est un polluant majeur qui doit être éliminé pour prévenir l'eutrophisation des milieux aquatiques. Le traitement biologique de l'azote en station d'épuration (STEP) repose sur deux étapes clés réalisées par des bactéries spécifiques : la nitrificationProcessus biologique aérobie qui convertit l'ammonium en nitrates (\(NO_3^-\)). et la dénitrificationProcessus biologique anoxique qui convertit les nitrates en azote gazeux (\(N_2\)), inoffensif pour l'environnement.. Cet exercice vous guidera dans le dimensionnement des réacteurs nécessaires à ces processus.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à calculer le volume d'un bassin d'aération pour la nitrification et la quantité de source de carbone externe (méthanol) nécessaire pour la dénitrification, deux calculs fondamentaux pour la conception d'une STEP.

Objectifs Pédagogiques

Comprendre les principes de la nitrification et de la dénitrification.
Calculer le volume d'un réacteur de nitrification en fonction de la charge azotée et de la cinétique bactérienne.
Déterminer le besoin en carbone pour la dénitrification et dimensionner l'ajout de méthanol.
Évaluer la consommation d'oxygène et l'impact sur l'alcalinité du traitement.

Données de l'étude

Une station d'épuration à boues activées doit être dimensionnée pour traiter l'azote d'une agglomération. Les caractéristiques de l'effluent et les paramètres de conception sont les suivants :

Schéma de la file de traitement de l'azote

Paramètre	Notation	Valeur	Unité
Débit journalier moyen	\(Q_j\)	5000	m³/jour
Concentration en Azote Kjeldahl Total (NKT) en entrée	\(NKT_{\text{in}}\)	60	mg/L
Concentration en Azote Global (NGL) en sortie	\(NGL_{\text{out}}\)	10	mg/L
Température minimale de l'eau	\(T_{\text{min}}\)	12	°C
Concentration en biomasse dans le réacteur	\(X_V\)	3.5	g/L
Vitesse maximale de croissance des bactéries nitrifiantes à 20°C	\(\mu_{\text{max},20}\)	0.8	jour⁻¹
Coefficient de température	\(\theta\)	1.072	-

Questions à traiter

Calculer la charge journalière en azote à éliminer.
Déterminer le volume minimal du bassin d'aération pour assurer une nitrification complète.
Calculer la quantité de méthanol (\(CH_3OH\)) à injecter quotidiennement pour la dénitrification.
Calculer le besoin journalier en oxygène pour la nitrification.
Estimer la variation nette d'alcalinité due au traitement de l'azote.
Dimensionner le volume du bassin anoxique pour la dénitrification.

Les bases du traitement de l'azote

Le traitement biologique de l'azote se déroule en deux phases successives, réalisées par des micro-organismes différents dans des conditions distinctes.

1. Nitrification (Phase Aérobie)
L'ammonium (\(NH_4^+\)) est oxydé en nitrates (\(NO_3^-\)) par des bactéries autotrophes (Nitrosomonas, Nitrobacter) en présence d'oxygène. C'est une étape limitante, sensible à la température et au pH. \[ NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O \]

2. Dénitrification (Phase Anoxique)
Les nitrates (\(NO_3^-\)) produits sont ensuite transformés en azote gazeux (\(N_2\)) par des bactéries hétérotrophes en l'absence d'oxygène dissous, mais en utilisant les nitrates comme accepteur d'électrons. Ce processus nécessite une source de carbone organique. \[ 2NO_3^- + \text{carbone organique} \rightarrow N_2 + CO_2 + H_2O + OH^- \]

Correction : Traitement de l’Azote en Station d’Épuration

Question 1 : Calculer la charge journalière en azote à éliminer.

Principe

La charge polluante représente la masse totale d'un polluant arrivant à la station chaque jour. C'est le point de départ de tout dimensionnement. On ne dimensionne pas une station pour un débit ou une concentration, mais bien pour une masse de pollution à traiter quotidiennement.

Mini-Cours

Ce calcul repose sur le principe fondamental de la conservation de la masse. La masse de polluant est le produit de son volume (le débit) par sa concentration. Cette notion de "charge" est universelle en traitement de l'eau et s'applique à tous les polluants (carbone, phosphore, etc.).

Remarque Pédagogique

Commencez toujours par calculer les charges. Cela vous donne une vision macroscopique du problème et vous permet de vérifier rapidement la cohérence des ordres de grandeur. Une erreur sur la charge se répercutera sur tous les calculs suivants.

Normes

La Directive européenne 91/271/CEE impose des rendements épuratoires et des concentrations de rejet maximales pour l'azote total, notamment pour les stations de plus de 10 000 EH situées en zones sensibles, ce qui justifie ce calcul.

Formule(s)

\text{Charge Azote (kg N/j)} = Q_j \text{ (m³/j)} \times (NKT_{\text{in}} - N_{\text{rejet}}) \text{ (g/m³)} \times 10^{-3}

Hypothèses

On suppose que la concentration en azote dans le rejet (10 mg/L) inclut une fraction d'azote organique et ammoniacal non biodégradable qui ne sera pas traitée, ainsi que l'azote assimilé par les bactéries pour leur croissance.

Donnée(s)

Débit journalier, \(Q_j\) = 5000 m³/j
Concentration entrée, \(NKT_{\text{in}}\) = 60 mg/L = 60 g/m³
Concentration sortie, \(NGL_{\text{out}}\) = 10 mg/L = 10 g/m³

Astuces

Pour éviter les erreurs, convertissez toujours les mg/L en g/m³ (c'est un ratio 1:1) avant de multiplier par le débit en m³. Cela vous donnera un résultat directement en grammes, facile à convertir en kilogrammes.

Schéma (Avant les calculs)

Bilan de masse sur la station

Calcul(s)

Étape 1 : Concentration à éliminer

\begin{aligned} \Delta N &= 60 \text{ mg/L} - 10 \text{ mg/L} \\ &= 50 \text{ mg/L} \\ &= 50 \text{ g/m³} \end{aligned}

Étape 2 : Charge journalière

\begin{aligned} C_N &= 5000 \text{ m³/j} \times 50 \text{ g/m³} \\ &= 250000 \text{ g/j} \\ &= 250 \text{ kg/j} \end{aligned}

Réflexions

Une charge de 250 kg d'azote par jour est significative. Sachant qu'un habitant rejette environ 11-12 g N/jour, cette charge correspond à une pollution d'environ 20 000 à 22 000 Équivalents-Habitants (EH), ce qui est cohérent pour une ville de taille moyenne.

Points de vigilance

L'erreur la plus commune est l'oubli de la conversion des grammes en kilogrammes. Assurez-vous que vos unités sont cohérentes tout au long du calcul.

Points à retenir

La charge est le produit du débit par la concentration.
C'est la masse de pollution qui dimensionne les ouvrages, pas seulement le débit.

Le saviez-vous ?

L'azote dans les eaux usées ne provient pas que des excréments humains. Les détergents, les déchets alimentaires et certains effluents industriels peuvent également être des sources importantes de pollution azotée.

FAQ

Résultat Final

La charge journalière en azote à éliminer est de 250 kg N/jour.

A vous de jouer

Si le débit passait à 6000 m³/j avec la même concentration en entrée, quelle serait la nouvelle charge à traiter (en kg/j) ?

Question 2 : Déterminer le volume minimal du bassin d'aération.

Principe

Le volume du bassin de nitrification est déterminé par la cinétique de croissance des bactéries les plus lentes du système : les bactéries nitrifiantes. Il faut leur garantir un temps de séjour dans le système (âge des boues) suffisamment long pour qu'elles ne soient pas "lessivées" (évacuées plus vite qu'elles ne se reproduisent), surtout en hiver où leur métabolisme est ralenti.

Mini-Cours

La vitesse de croissance des bactéries est modélisée par la loi de Monod, mais pour le dimensionnement, on se base sur son inverse : l'âge des boues. L'âge des boues (\(A_S\) ou SRT en anglais) représente le temps moyen qu'une bactérie passe dans le réacteur. Pour la nitrification, on doit avoir \(A_S > 1/\mu_{\text{max},T}\). On applique un facteur de sécurité pour pallier les aléas de fonctionnement.

Remarque Pédagogique

Le dimensionnement de la nitrification se fait TOUJOURS dans les conditions les plus défavorables, c'est-à-dire la température la plus basse de l'eau. Si la nitrification fonctionne en hiver, elle fonctionnera le reste de l'année.

Normes

Les guides techniques de conception des stations d'épuration (comme ceux des Agences de l'Eau en France ou les manuels internationaux comme le Metcalf & Eddy) fournissent des valeurs de référence pour les paramètres cinétiques et les facteurs de sécurité à appliquer.

Formule(s)

Correction de la vitesse de croissance avec la température :

\mu_{\text{max},T} = \mu_{\text{max},20} \times \theta^{(T-20)}

Calcul de l'âge des boues de sécurité (FS=1.5) :

A_S = \frac{\text{FS}}{\mu_{\text{max},T}}

Calcul du volume :

V_{\text{aer}} = \frac{\text{Charge N} \times A_S}{X_V}

Hypothèses

On suppose que la concentration en biomasse (\(X_V\)) est maintenue constante dans le réacteur grâce à la recirculation des boues. On néglige la nitrification qui pourrait se produire dans le bassin anoxique.

Donnée(s)

Charge N = 250 kg/j
\(T_{\text{min}}\) = 12 °C
\(\mu_{\text{max},20}\) = 0.8 j⁻¹
\(\theta\) = 1.072
\(X_V\) = 3.5 g/L = 3.5 kg/m³

Astuces

Les âges de boue pour la nitrification en climat tempéré se situent typiquement entre 10 et 20 jours. Si votre calcul donne une valeur très éloignée, vérifiez votre application de la formule d'Arrhenius.

Schéma (Avant les calculs)

Paramètres de dimensionnement du bassin aérobie

Calcul(s)

Étape 1 : Vitesse de croissance à 12°C

\begin{aligned} \mu_{\text{max},12} &= 0.8 \times 1.072^{(12-20)} \\ &= 0.45 \text{ j⁻¹} \end{aligned}

Étape 2 : Âge des boues de sécurité

A_S = \frac{1.5}{0.45} \approx 3.33 \text{ j}

Cette valeur est un minimum théorique. En pratique, on utilise une valeur plus élevée pour assurer une marge de sécurité. Prenons une valeur de conception de 12 jours.

Étape 3 : Volume du réacteur

\begin{aligned} V_{\text{aer}} &= \frac{250 \text{ kg/j} \times 12 \text{ j}}{3.5 \text{ kg/m³}} \\ &\approx 857 \text{ m³} \end{aligned}

Réflexions

Le volume de 857 m³ représente un temps de séjour hydraulique de \(V/Q = 857 / 5000 \approx 0.17\) jour, soit environ 4 heures. Ce temps est court, mais c'est l'âge des boues (12 jours) qui est le vrai paramètre de dimensionnement, car il est maintenu élevé grâce à la recirculation de la biomasse.

Points de vigilance

Ne confondez pas le temps de séjour hydraulique (temps de passage de l'eau) et l'âge des boues (temps de séjour des bactéries). Pour les cultures en suspension comme les boues activées, l'âge des boues est toujours bien supérieur au temps de séjour hydraulique.

Points à retenir

La nitrification est dimensionnée par la cinétique des bactéries nitrifiantes.
Le calcul se fait à la température la plus basse.
L'âge des boues est le paramètre clé, pas le temps de séjour hydraulique.

Le saviez-vous ?

Les bactéries nitrifiantes sont très fragiles. Une arrivée de polluants toxiques (métaux lourds, solvants) ou une chute brutale de pH peut les inhiber et arrêter complètement la nitrification, ce qui est un incident d'exploitation redouté.

FAQ

Résultat Final

Le volume minimal du bassin d'aération pour la nitrification est d'environ 857 m³.

A vous de jouer

Si la température minimale était de 10°C, quel serait le volume requis (en m³) en gardant un âge de boue de 12 jours ?

Question 3 : Calculer la quantité de méthanol à injecter.

Principe

La dénitrification est la "respiration" des nitrates par des bactéries. Pour ce faire, elles ont besoin d'énergie, qu'elles tirent d'une source de carbone. Si la pollution carbonée de l'eau usée n'est pas suffisante, on doit leur fournir un "aliment" externe facilement assimilable, comme le méthanol.

Mini-Cours

La quantité de carbone nécessaire est directement proportionnelle à la quantité de nitrates à éliminer. Cette relation est basée sur la stœchiométrie de la réaction biochimique. On utilise souvent la DCO (Demande Chimique en Oxygène) comme mesure de la quantité de "carbone-énergie". Chaque source de carbone (méthanol, éthanol, acétate) a un ratio DCO/N spécifique.

Remarque Pédagogique

Le dosage du carbone externe est un compromis. Trop peu, et la dénitrification est incomplète. Trop, et le carbone non consommé devient une pollution en sortie. Les stations modernes utilisent des sondes (redox, nitrates) pour ajuster le dosage en temps réel.

Normes

Il n'y a pas de norme directe sur la quantité de méthanol à utiliser, mais le choix de la source de carbone et son stockage sont soumis à des réglementations de sécurité (produit inflammable).

Formule(s)

Le besoin en DCO est d'environ 2.5 g DCO par g de N-NO₃⁻ dénitrifié. Le méthanol a une DCO théorique de 1.5 g O₂ / g.

\text{Masse Méthanol} = \frac{\text{Charge N} \times \text{Ratio DCO/N}}{\text{DCO du méthanol}}

Hypothèses

On suppose que toute la charge d'azote nitrifiée doit être dénitrifiée. On néglige la part de DCO facilement biodégradable de l'eau brute qui pourrait être utilisée pour la dénitrification (configuration en post-dénitrification).

Donnée(s)

Charge N à dénitrifier = 250 kg/j
Ratio DCO/N = 2.5 kg DCO / kg N
DCO méthanol = 1.5 kg DCO / kg méthanol

Astuces

Le ratio DCO/N est parfois donné comme "Ratio C/N". Attention, ce n'est pas la même chose. Le ratio DCO/N est plus pratique car il intègre directement le pouvoir énergétique du substrat. Pour le méthanol, le ratio DCO/N est proche de 2.5.

Schéma (Avant les calculs)

Bilan pour le dosage de méthanol

Calcul(s)

Étape 1 : Calcul du besoin en DCO

\begin{aligned} \text{Besoin DCO} &= 250 \text{ kg N/j} \times 2.5 \\ &= 625 \text{ kg DCO/j} \end{aligned}

Étape 2 : Conversion en masse de méthanol

\begin{aligned} \text{Masse Méthanol} &= \frac{625 \text{ kg DCO/j}}{1.5 \text{ kg DCO/kg méthanol}} \\ &\approx 416.7 \text{ kg/j} \end{aligned}

Réflexions

Injecter 417 kg de méthanol par jour représente un coût d'exploitation non négligeable. C'est pourquoi les concepteurs de STEP privilégient les configurations (pré-dénitrification) où le carbone "gratuit" de l'eau brute est utilisé au maximum, limitant ainsi le recours à un réactif externe.

Points de vigilance

Assurez-vous d'utiliser le bon ratio DCO/N en fonction de la source de carbone. L'éthanol ou l'acide acétique ont des ratios différents du méthanol. Une erreur ici peut mener à un sur ou sous-dosage important.

Points à retenir

La dénitrification requiert une source de carbone.
Le calcul du besoin en carbone est basé sur la stœchiométrie de la réaction.
Le choix de la source de carbone a un impact économique et opérationnel.

Le saviez-vous ?

Certaines stations d'épuration innovantes explorent des sources de carbone alternatives et "vertes" pour la dénitrification, comme des sous-produits de l'industrie agro-alimentaire (mélasse, lactosérum) ou même la production de carbone interne via des processus de fermentation.

FAQ

Résultat Final

Il faut injecter environ 417 kg de méthanol par jour.

A vous de jouer

Si on utilisait de l'éthanol (DCO = 2.09 kg/kg) avec un ratio DCO/N de 3.5, quelle masse d'éthanol (en kg/j) faudrait-il ?

Question 4 : Calculer le besoin journalier en oxygène pour la nitrification.

Principe

La nitrification est un processus d'oxydation biologique qui consomme une quantité importante d'oxygène. Ce besoin doit être calculé pour dimensionner correctement le système d'aération, qui est un poste de consommation énergétique majeur d'une STEP.

Mini-Cours

L'oxydation complète de l'ammonium en nitrate se fait en deux étapes, chacune consommant de l'oxygène. Le bilan global de la réaction montre qu'il faut une masse d'oxygène bien définie pour oxyder une masse d'azote donnée. Ce ratio stœchiométrique est une constante fondamentale du processus.

Remarque Pédagogique

Le besoin en oxygène calculé ici est un besoin "théorique". En pratique, le besoin "réel" sera supérieur car il faut tenir compte du rendement de transfert de l'oxygène des aérateurs dans l'eau, qui n'est jamais de 100%.

Normes

Les manuels de conception (comme le Mémento Degrémont) fournissent des ratios stœchiométriques standards pour les besoins en oxygène des différents processus biologiques (carboné, azoté).

Formule(s)

\text{Besoin } O_2 = \text{Masse N nitrifié} \times 4.57

Ce ratio de 4.57 g O₂ / g N-NH₄⁺ nitrifié est une valeur standard qui inclut l'oxygène pour l'oxydation de l'ammonium et la synthèse de nouvelle biomasse nitrifiante.

Hypothèses

On suppose que tout l'azote à éliminer est initialement sous forme d'azote ammoniacal et qu'il est entièrement converti en nitrates. On néglige la consommation d'oxygène pour la pollution carbonée résiduelle.

Donnée(s)

Masse de N nitrifié = 250 kg/j
Ratio O₂/N = 4.57 kg O₂ / kg N

Astuces

Retenez l'ordre de grandeur : il faut environ 4.6 kg d'oxygène pour éliminer 1 kg d'azote. C'est une consommation très importante, souvent plus de la moitié de la consommation totale d'oxygène d'une station d'épuration avec traitement de l'azote.

Schéma (Avant les calculs)

Bilan d'oxygène pour la nitrification

Calcul(s)

Étape 1 : Application du ratio

\begin{aligned} \text{Besoin } O_2 &= 250 \text{ kg N/j} \times 4.57 \\ &= 1142.5 \text{ kg } O_2/\text{j} \end{aligned}

Réflexions

Un besoin de plus d'une tonne d'oxygène pur par jour est considérable. Cela explique pourquoi l'aération est le premier poste de consommation d'électricité d'une STEP (souvent 50-70% de la facture totale). L'optimisation de l'aération est donc un enjeu économique et environnemental majeur.

Points de vigilance

Ne pas oublier que ce besoin s'ajoute au besoin en oxygène pour l'élimination de la pollution carbonée (DBO5). Le besoin total en oxygène du bassin d'aération sera la somme de ces deux besoins.

Points à retenir

La nitrification est très gourmande en oxygène (~4.6 kg O₂ / kg N).
L'aération est le principal coût énergétique d'une STEP.

Le saviez-vous ?

De nouvelles technologies comme le procédé ANAMMOX (ANaerobic AMMonium OXidation) permettent d'éliminer l'azote avec une consommation d'oxygène réduite de plus de 60% et sans besoin de carbone externe. C'est une révolution pour le traitement des effluents très concentrés.

FAQ

Résultat Final

Le besoin théorique en oxygène pour la nitrification est de 1142.5 kg O₂ par jour.

A vous de jouer

Pour une charge de 300 kg N/j, quel serait le besoin en oxygène (en kg/j) ?

Question 5 : Estimer la variation nette d'alcalinité.

Principe

L'alcalinité (ou le pouvoir tampon de l'eau) est cruciale pour la stabilité du pH. La nitrification est un processus acidifiant qui consomme de l'alcalinité, tandis que la dénitrification en produit. Il est essentiel de vérifier que le bilan net ne provoque pas une chute de pH qui inhiberait les processus biologiques.

Mini-Cours

La nitrification libère des ions H⁺ (cf. équation de base), ce qui acidifie le milieu et consomme des ions bicarbonates (\(HCO_3^-\)), la principale forme d'alcalinité. Inversement, la dénitrification produit des ions hydroxyles (\(OH^-\)) qui neutralisent l'acidité et restaurent une partie de l'alcalinité. Le bilan des deux est crucial.

Remarque Pédagogique

Si le bilan d'alcalinité est négatif et que l'eau brute n'est pas assez "dure" (faiblement alcaline), le pH dans le bassin d'aération peut chuter en dessous de 6.5, ce qui inhibe fortement les bactéries nitrifiantes. Dans ce cas, il faut ajouter un réactif pour augmenter l'alcalinité (chaux, bicarbonate de soude).

Normes

Il n'y a pas de norme de rejet sur l'alcalinité, mais les règles de l'art du dimensionnement imposent de vérifier qu'une alcalinité résiduelle suffisante (typiquement > 80-100 mg/L de CaCO₃) est maintenue dans le réacteur aérobie pour garantir la stabilité du processus.

Formule(s)

Les ratios stœchiométriques sont les suivants (exprimés en équivalent \(CaCO_3\)) :

\text{Alcalinité consommée} = 7.14 \frac{\text{g } CaCO_3}{\text{g N nitrifié}}

\text{Alcalinité produite} = 3.57 \frac{\text{g } CaCO_3}{\text{g N dénitrifié}}

Hypothèses

On suppose que tout l'azote nitrifié est ensuite dénitrifié, ce qui permet de calculer un bilan net sur la même base de masse d'azote.

Donnée(s)

Masse de N traitée = 250 kg/j
Ratio conso. = 7.14 kg CaCO₃ / kg N
Ratio prod. = 3.57 kg CaCO₃ / kg N

Astuces

Notez que la dénitrification restaure exactement la moitié de l'alcalinité consommée par la nitrification. C'est un moyen mnémotechnique facile pour se souvenir des ratios.

Schéma (Avant les calculs)

Bilan d'alcalinité

Calcul(s)

Étape 1 : Alcalinité consommée

\begin{aligned} \text{Conso.} &= 250 \text{ kg N/j} \times 7.14 \\ &= 1785 \text{ kg } CaCO_3/\text{j} \end{aligned}

Étape 2 : Alcalinité produite

\begin{aligned} \text{Prod.} &= 250 \text{ kg N/j} \times 3.57 \\ &= 892.5 \text{ kg } CaCO_3/\text{j} \end{aligned}

Étape 3 : Bilan net

\begin{aligned} \text{Bilan} &= 892.5 - 1785 \\ &= -892.5 \text{ kg } CaCO_3/\text{j} \end{aligned}

Réflexions

Une perte nette de près de 900 kg d'équivalent CaCO₃ par jour est significative. Il est impératif de connaître l'alcalinité de l'eau brute. Si elle est de 200 mg/L (200 g/m³), l'apport journalier est de \(5000 \times 200 = 1,000,000\) g/j = 1000 kg/j. L'alcalinité résiduelle serait donc suffisante (\(1000 - 892.5 > 0\)).

Points de vigilance

Ne jamais négliger le bilan d'alcalinité, surtout pour les eaux douces ou les effluents industriels qui peuvent avoir un faible pouvoir tampon. Une nitrification qui s'arrête à cause d'une chute de pH est un problème très difficile à résoudre.

Points à retenir

Nitrification = consommation d'alcalinité (acidification).
Dénitrification = production d'alcalinité.
Le bilan global est une consommation nette d'alcalinité.

Le saviez-vous ?

L'alcalinité est souvent exprimée en "degrés français" (°f). 1 °f = 10 mg/L de CaCO₃. Une bonne alcalinité pour la nitrification se situe au-dessus de 8-10 °f.

FAQ

Résultat Final

Le processus global entraîne une consommation nette de 892.5 kg de CaCO₃ par jour.

A vous de jouer

Si seulement 80% de l'azote nitrifié était dénitrifié, quelle serait la consommation nette d'alcalinité (en kg/j) ?

Question 6 : Dimensionner le volume du bassin anoxique.

Principe

Le volume du bassin de dénitrification (anoxie) dépend de la vitesse à laquelle les bactéries peuvent "respirer" les nitrates. Cette vitesse, appelée Vitesse de Dénitrification Spécifique (SDNR), dépend de la température et de la nature de la source de carbone utilisée.

Mini-Cours

La SDNR (Specific Denitrification Rate) est exprimée en masse d'azote (sous forme de nitrate) éliminée par unité de masse de biomasse et par unité de temps (ex: kg N-NO₃⁻ / (kg MVS · j)). C'est une mesure de l' "efficacité" de la biomasse en conditions anoxiques. Plus la SDNR est élevée, plus le volume nécessaire sera faible.

Remarque Pédagogique

La SDNR est très sensible à la nature du carbone. Elle est maximale avec des substrats simples et rapidement biodégradables comme le méthanol ou l'acétate. Elle est plus faible si on utilise le carbone "endogène" de l'eau brute, ce qui explique pourquoi les bassins en pré-dénitrification sont plus grands que ceux en post-dénitrification.

Normes

Les manuels de conception fournissent des plages de valeurs typiques pour la SDNR en fonction de la température et du type de substrat carboné utilisé, basées sur des retours d'expérience de nombreuses stations.

Formule(s)

V_{\text{anox}} = \frac{\text{Charge N à dénitrifier}}{\text{SDNR} \times X_V}

Hypothèses

On suppose que la concentration en biomasse (\(X_V\)) est la même dans le bassin anoxique et aérobie. On choisit une valeur de SDNR conservatrice pour la température de 12°C.

Donnée(s)

Charge N à dénitrifier = 250 kg/j
SDNR à 12°C = 0.15 kg N / (kg MVS · j)
\(X_V\) = 3.5 kg MVS/m³

Astuces

Le produit \(SDNR \times X_V\) est appelé "vitesse de dénitrification volumique". Il représente la masse d'azote éliminée par mètre cube de réacteur et par jour. C'est un bon indicateur de la performance globale du bassin.

Schéma (Avant les calculs)

Paramètres de dimensionnement du bassin anoxique

Calcul(s)

Étape 1 : Calcul de la vitesse volumique

\begin{aligned} \text{Vitesse Volumique} &= 0.15 \times 3.5 \\ &= 0.525 \text{ kg N/m³·j} \end{aligned}

Étape 2 : Calcul du volume

\begin{aligned} V_{\text{anox}} &= \frac{250 \text{ kg N/j}}{0.525 \text{ kg N/m³·j}} \\ &\approx 476 \text{ m³} \end{aligned}

Réflexions

Le volume anoxique (476 m³) représente environ 55% du volume aérobie (857 m³). Ce ratio (Zone Anoxique / Zone Aérobie) est un paramètre de conception important. Un ratio typique pour une dénitrification complète se situe entre 0.3 et 0.6.

Points de vigilance

La valeur de la SDNR est cruciale et doit être choisie avec soin. Une valeur trop optimiste mènera à un sous-dimensionnement du bassin et à un mauvais rendement de dénitrification. Il est toujours préférable d'être conservateur.

Points à retenir

Le volume anoxique est inversement proportionnel à la vitesse de dénitrification (SDNR).
La SDNR dépend de la température et de la source de carbone.

Le saviez-vous ?

Pour économiser de l'espace, de nombreuses stations utilisent des "zones de swing" ou zones à aération intermittente. Ces bassins peuvent fonctionner soit en aérobie (pour la nitrification) soit en anoxie (pour la dénitrification) en allumant ou éteignant l'aération, offrant une grande flexibilité opérationnelle.

FAQ

Résultat Final

Le volume requis pour le bassin anoxique est d'environ 476 m³.

A vous de jouer

Si, grâce à une eau plus chaude en été, la SDNR montait à 0.25 kg N/(kg MVS·j), quel serait le volume anoxique nécessaire (en m³) ?

Outil Interactif : Impact de la Température

Utilisez ce simulateur pour visualiser comment la température de l'eau et la concentration en biomasse influencent le volume de nitrification requis.

Paramètres d'Entrée

Température de l'eau (°C) 12 °C

Biomasse (g/L) 3.5 g/L

Résultats Clés

Âge des boues requis (jours) -

Volume aération requis (m³) -

Azote Kjeldahl Total (NKT): Mesure de la somme de l'azote organique et de l'azote ammoniacal. C'est la principale forme d'azote dans les eaux usées brutes.
Anoxie: Condition d'un milieu biologique où l'oxygène dissous est absent, mais où les nitrates sont présents et peuvent être utilisés par les bactéries comme accepteur d'électrons.
Stœchiométrie: Calcul des quantités relatives de réactifs et de produits dans les réactions chimiques. En assainissement, elle permet de déterminer les besoins en réactifs (oxygène, carbone...).
Alcalinité: Capacité de l'eau à neutraliser les acides. Elle est principalement due aux ions bicarbonate et carbonate et est essentielle pour maintenir un pH stable dans les réacteurs biologiques.