Traitement de l’Azote en Station d’Épuration

1. Calcul de la charge journalière d’azote total entrant

Nous voulons savoir combien de grammes d’azote arrivent chaque jour dans la station. 1. Le débit d’eau est en \(\text{m}^3/\text{j}\), mais la concentration est en \(\text{mg}/\text{L}\). 2. On convertit les \(\text{m}^3\) en litres (1 \(\text{m}^3 = 1000\;\text{L}\)) pour avoir les mêmes unités. 3. On multiplie le volume d’eau (en litres) par la concentration (mg par litre) pour obtenir la masse en mg. 4. Enfin, on convertit les mg en kilogrammes (1 \(\text{kg} = 1 000 000\;\text{mg}\)) pour un résultat plus facile à manipuler.

Formule

\[ \text{Charge (mg/j)} = Q\;\times\;\text{(m}^3/\text{j)} \times 1000\;\times\;\text{(L/m}^3) \times C_{NTK}\;\times\;\text{(mg/L)} \]

\[ \text{Charge (kg/j)} = \frac{\text{Charge (mg/j)}}{10^6} \]

Données

• Débit entrant : Q = 15 000 \(\text{m}^3/\text{j}\)
• Concentration NTK : C_NTK = 40 \(\text{mg}/\text{L}\)

Calcul

\[ \text{Q en L/j} = 15\,000\;\text{(m}^3/\text{j)} \times 1000\;\text{(L/m}^3) \] \[ \text{Q en L/j} = 15\,000\,000\;\text{L/j} \]

\[ \text{Charge (mg/j)} = 15\,000\,000\;\text{L/j} \times 40\;\text{mg/L} \] \[ \text{Charge (mg/j)} = 600\,000\,000\;\text{mg/j} \]

\[ \text{Charge (kg/j)} = \frac{600\,000\,000\;\text{mg/j}}{10^6} = 600\;\text{kg/j} \]

Résultat : 600 kg N total par jour.

2. Efficacité de la nitrification

a. Rendement de réduction de l’ammonium

La nitrification est le processus où les bactéries transforment l’ammonium (\(\text{NH}_4^+\)) en nitrate (\(\text{NO}_3^-\)). Pour mesurer son efficacité, on compare la quantité d’ammonium avant et après traitement : plus la différence est grande, meilleure est la nitrification.

Formule

\[ \eta_{nit} = \frac{C_{NH_4,in} - C_{NH_4,out}}{C_{NH_4,in}} \times 100\% \]

Données

• Concentration initiale d’ammonium : C_NH₄,in = 25 \(\text{mg}/\text{L}\)
• Concentration après traitement : C_NH₄,out = 5 \(\text{mg}/\text{L}\)

Calcul

\[ \eta_{nit} = \frac{25 - 5}{25} \times 100\% = 80\% \]

Résultat : la station élimine 80 % de l’ammonium.

b. Quantité d’azote ammoniacal transformée en nitrate

La différence de concentration (20 \(\text{mg}/\text{L}\)) correspond à l’azote converti en nitrate. On calcule la masse en multipliant par le volume traité.

Formule

\[ \Delta C_{NH_4} = C_{NH_4,in} - C_{NH_4,out} = 20\;\text{mg/L} \]

\[ \text{Masse transformée (kg/j)} = \frac{\Delta C_{NH_4} \;(\text{mg}/\text{L}) \times Q \;(\text{L}/\text{j})}{10^6} \]

Données

• ΔC = 20 \(\text{mg}/\text{L}\)
• Q = 15 000 000 \(\text{L}/\text{j}\)

Calcul

\[ \text{Masse (mg/j)} = 20\;\text{mg/L} \times 15\,000\,000\;\text{L/j} \] \[ \text{Masse (mg/j)} = 300\,000\,000\;\text{mg/j} \]

\[ \text{Masse (kg/j)} = \frac{300\,000\,000\;\text{mg/j}}{10^6} = 300\;\text{kg/j} \]

Résultat : 300 kg N/j sont convertis en NO₃⁻.

3. Calcul de la dénitrification

a. Concentration résiduelle de nitrate après dénitrification

La dénitrification est effectuée par des bactéries qui transforment le nitrate en azote gazeux (\(\text{N}_2\)). Si elles éliminent 80 % du nitrate, il reste seulement 20 % du nitrate initial.

Formule

\[ C_{NO_3,res} = C_{NO_3,formé} \times (1 - \eta_{denit}) \]

Données

• Nitrate formé : 20 \(\text{mg}/\text{L}\)
• Efficacité dénitrification : 80 %

Calcul

\[ C_{NO_3,res} = 20 \times 0{,}20 \] \[ C_{NO_3,res} = 4\;\text{mg/L} \]

Résultat : 4 mg/L de nitrate en sortie.

b. Charge totale d’azote dans l’effluent traité

Pour connaître la charge totale, on additionne l’azote résiduel sous forme d’ammonium et de nitrate, puis on convertit en kg/j.

Formule

\[ C_{N,total} = C_{NH_4,out} + C_{NO_3,res} \] \[ C_{N,total} = 5 + 4 \] \[ C_{N,total} = 9\;\text{mg/L} \]

\[ \text{Charge (kg/j)} = \frac{C_{N,total} \;(\text{mg}/\text{L}) \times Q \;(\text{L}/\text{j})}{10^6} \]

Données

• NH₄⁺ résiduel : 5 \(\text{mg}/\text{L}\)
• NO₃⁻ résiduel : 4 \(\text{mg}/\text{L}\)
• Q = 15 000 000 \(\text{L}/\text{j}\)

Calcul

\[ C_{N,total} = 9\;\text{mg-L} \]

\[ \text{Charge (mg/j)} = 9 \times 15\,000\,000 \] \[ \text{Charge (mg/j)} = 135\,000\,000\;\text{mg/j} \]

\[ \text{Charge (kg/j)} = \frac{135\,000\,000\;\text{mg/j}}{10^6} = 135\;\text{kg/j} \]

Résultat : 135 kg N total par jour.

4. Proposition d’amélioration de la dénitrification

Pour qu’un novice comprenne :

• Apporter plus de nourriture aux bactéries : ajouter du méthanol ou de l’acétate fournit un « carburant » (carbone) pour les bactéries dénitrifiantes, ce qui leur permet d’éliminer plus de nitrate.
• Doubler l’espace anoxique : augmenter le volume où il n’y a pas d’oxygène, pour donner plus de temps aux bactéries de travailler.
• Garder l’anoxie stricte : vérifier que l’oxygène dissous reste très bas (≤ 0,2 \text{mg/L}), sinon les bactéries dénitrifiantes sont moins actives.
• Mettre des capteurs intelligents : installer des capteurs de nitrate qui commandent automatiquement l’apport de carbone, pour réagir immédiatement aux changements.

Avec ces améliorations, on passe de \(4 \text{mg/L}\) de NO₃⁻ à moins de \(2 \text{mg/L}\), réduisant la charge d’azote à environ \(105 \text{kg/j}\), et respectant largement la norme.