Études de cas pratique

EGC

Traitement de l’Azote en Station d’Épuration

Traitement de l’Azote en Station d’Épuration en Assainissement

Traitement de l’Azote en Station d’Épuration en Assainissement

Comprendre le Traitement de l’Azote en Station d’Épuration en Assainissement

Le traitement de l'azote est une composante essentielle des stations d'épuration modernes, visant à réduire l'impact des rejets azotés sur les milieux aquatiques. L'azote, présent dans les eaux usées principalement sous forme d'ammoniac (\(NH_4^+\)) et d'azote organique, peut entraîner l'eutrophisation des cours d'eau et être toxique pour la faune aquatique. Le traitement biologique de l'azote se déroule typiquement en deux étapes principales : la nitrification, qui convertit l'ammoniac en nitrates en conditions aérobies (présence d'oxygène), suivie de la dénitrification, qui transforme les nitrates en diazote gazeux inoffensif en conditions anoxiques (absence d'oxygène, présence de nitrates et d'une source de carbone). La maîtrise de ces deux processus est cruciale pour atteindre les objectifs de qualité des rejets.

Données de l'étude

Une station d'épuration à boues activées est conçue pour traiter l'azote d'une agglomération. On s'intéresse aux étapes de nitrification et de dénitrification.

Caractéristiques et Données :

  • Débit moyen journalier à traiter (\(Q\)) : \(8000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • Concentration en Azote Total Kjeldahl (NTK) en entrée de la filière biologique (\(NTK_{in}\)) : \(60 \, \text{mg N/L}\)
  • Fraction de l'NTK rapidement biodégradable (considérée comme N-NH₄⁺ pour simplifier) : \(75\%\)
  • Objectif de concentration en Azote Total (NGL) en sortie de station : \(NGL_{out} \leq 15 \, \text{mg N/L}\)
  • Azote organique non biodégradable dans l'effluent : \(N_{org,nbd,out} = 2 \, \text{mg N/L}\)
  • Rendement de la nitrification : \(95\%\) de l'azote ammoniacal entrant dans la zone aérobie est nitrifié.
  • Besoin en oxygène pour la nitrification : \(4.57 \, \text{g O}_2 \text{ / g N-NH}_4^+\text{ nitrifié}\)
  • Consommation d'alcalinité pour la nitrification : \(7.14 \, \text{g CaCO}_3 \text{ / g N-NH}_4^+\text{ nitrifié}\)
  • Ratio DCO / N-NO₃⁻ nécessaire pour la dénitrification : \(R_{\text{DCO/N}} = 4.0 \, \text{g DCO / g N-NO}_3^-\text{ dénitrifié}\)
  • Production d'alcalinité par la dénitrification : \(3.57 \, \text{g CaCO}_3 \text{ / g N-NO}_3^-\text{ dénitrifié}\)
Schéma Simplifié d'une Filière de Traitement de l'Azote
Eau Usée Q, NTK_in Zone Aérobie (Nitrification) O₂ Zone Anoxique (Dénitrification) N₂ DCO Eau Traitée Q, NGL_out Processus de nitrification et dénitrification.

Schéma illustrant les étapes clés du traitement de l'azote : nitrification en zone aérobie suivie de la dénitrification en zone anoxique.

Questions à Traiter

  1. Calculer la charge journalière en azote ammoniacal (\(N-NH_4^+\)) entrant dans la filière biologique (en kg N/jour).
  2. Calculer la quantité d'azote ammoniacal nitrifié par jour (en kg N/jour).
  3. Calculer le besoin journalier en oxygène pour la nitrification (en kg O₂/jour).
  4. Calculer la quantité de nitrates (\(N-NO_3^-\)) produite par la nitrification par jour (en kg N/jour). (On suppose que tout l'azote ammoniacal nitrifié est converti en nitrates).
  5. Déterminer la quantité de nitrates à dénitrifier par jour pour atteindre l'objectif de \(NGL_{out} \leq 15 \, \text{mg N/L}\), en considérant l'azote organique non biodégradable en sortie (en kg N/jour).
  6. Calculer le besoin journalier en DCO pour la dénitrification (en kg DCO/jour).
  7. Calculer la variation nette journalière d'alcalinité (production ou consommation) due aux processus de nitrification et de dénitrification (en kg CaCO₃/jour).

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

Question 1 : Charge journalière en azote ammoniacal (\(N-NH_4^+\)) entrant

Principe / Rappel Théorique :

La charge en azote ammoniacal est calculée à partir de la concentration en NTK et de la fraction considérée comme N-NH₄⁺, multipliée par le débit journalier.

Formule(s) Clé(s) :
\[C_{N-NH4,in} = NTK_{in} \times \text{Fraction N-NH}_4^+\] \[Charge_{N-NH4,in} = Q \times C_{N-NH4,in}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Débit (\(Q\)): \(8000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
  • NTK en entrée (\(NTK_{in}\)): \(60 \, \text{mg N/L}\)
  • Fraction N-NH₄⁺ : \(75\%\)
Calcul et Développement :

Concentration en N-NH₄⁺ :

\[ \begin{aligned} C_{N-NH4,in} &= 60 \, \text{mg N/L} \times \frac{75}{100} \\ &= 60 \, \text{mg N/L} \times 0.75 \\ &= 45 \, \text{mg N/L} \end{aligned} \]

Convertir la concentration en g/m³ (1 mg/L = 1 g/m³) : \(C_{N-NH4,in} = 45 \, \text{g N/m}^3\)

Charge journalière :

\[ \begin{aligned} Charge_{N-NH4,in} &= 8000 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 45 \, \text{g N/m}^3 \\ &= 360000 \, \text{g N/jour} \end{aligned} \]

Conversion en kg N/jour :

\[ Charge_{N-NH4,in} = \frac{360000 \, \text{g N/jour}}{1000 \, \text{g/kg}} = 360 \, \text{kg N/jour} \]
Résultat Question 1 : La charge journalière en azote ammoniacal entrant est de \(360 \, \text{kg N/jour}\).

Question 2 : Quantité d'azote ammoniacal nitrifié par jour (\(N_{nitrifie}\))

Principe / Rappel Théorique :

La quantité d'azote nitrifié dépend de la charge entrante en azote ammoniacal et du rendement de la nitrification.

Formule(s) Clé(s) :
\[N_{nitrifie} = Charge_{N-NH4,in} \times \frac{\text{Rendement Nitrification}}{100}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Charge en N-NH₄⁺ entrant (\(Charge_{N-NH4,in}\)): \(360 \, \text{kg N/jour}\)
  • Rendement de la nitrification : \(95\%\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} N_{nitrifie} &= 360 \, \text{kg N/jour} \times \frac{95}{100} \\ &= 360 \, \text{kg N/jour} \times 0.95 \\ &= 342 \, \text{kg N/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La quantité d'azote ammoniacal nitrifié par jour est de \(342 \, \text{kg N/jour}\).

Question 3 : Besoin journalier en oxygène pour la nitrification (\(O_{2,req,nitr}\))

Principe / Rappel Théorique :

La nitrification est un processus aérobie qui consomme de l'oxygène. Le besoin en oxygène est proportionnel à la quantité d'azote ammoniacal nitrifié.

Formule(s) Clé(s) :
\[O_{2,req,nitr} = N_{nitrifie} \times \text{Besoin O}_2\text{ spécifique}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Azote nitrifié (\(N_{nitrifie}\)): \(342 \, \text{kg N/jour}\)
  • Besoin en oxygène : \(4.57 \, \text{kg O}_2 \text{ / kg N-NH}_4^+\text{ nitrifié}\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} O_{2,req,nitr} &= 342 \, \text{kg N/jour} \times 4.57 \, \text{kg O}_2\text{/kg N} \\ &\approx 1562.94 \, \text{kg O}_2\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le besoin journalier en oxygène pour la nitrification est d'environ \(1562.94 \, \text{kg O}_2\text{/jour}\).

Question 4 : Quantité de nitrates (\(N-NO_3^-\)) produite par la nitrification (\(N_{NO3,prod}\))

Principe / Rappel Théorique :

On suppose que tout l'azote ammoniacal nitrifié est converti stœchiométriquement en nitrates. La masse d'azote reste la même, seule la forme change (N de NH₄⁺ devient N de NO₃⁻).

Formule(s) Clé(s) :
\[N_{NO3,prod} = N_{nitrifie}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Azote nitrifié (\(N_{nitrifie}\)): \(342 \, \text{kg N/jour}\)
Calcul et Développement :
\[ N_{NO3,prod} = 342 \, \text{kg N/jour} \]

Cette valeur représente la quantité d'azote sous forme de nitrates disponible pour la dénitrification.

Résultat Question 4 : La quantité de nitrates (exprimée en azote) produite par la nitrification est de \(342 \, \text{kg N/jour}\).

Question 5 : Quantité de nitrates à dénitrifier (\(N_{denitrifie}\))

Principe / Rappel Théorique :

Pour atteindre l'objectif de rejet en azote total (NGL), il faut dénitrifier une partie des nitrates produits. L'azote total en sortie est la somme des nitrates restants, de l'azote ammoniacal non nitrifié et de l'azote organique non biodégradable.

Azote ammoniacal non nitrifié : \(N_{NH4,non\_nitrifie} = Charge_{N-NH4,in} - N_{nitrifie}\)

Azote total en sortie (NGL_out) = \(N_{NO3,restant} + N_{NH4,non\_nitrifie} + N_{org,nbd,out}\)

D'où \(N_{NO3,restant} = NGL_{out} - N_{NH4,non\_nitrifie} - N_{org,nbd,out}\)

Et \(N_{denitrifie} = N_{NO3,prod} - N_{NO3,restant}\)

Données Spécifiques pour cette Question :
  • Nitrates produits (\(N_{NO3,prod}\)): \(342 \, \text{kg N/jour}\)
  • Objectif NGL en sortie (\(NGL_{out}\)): \( \leq 15 \, \text{mg N/L}\). On prendra \(15 \, \text{mg N/L}\) pour le calcul.
  • Azote organique non biodégradable (\(N_{org,nbd,out}\)): \(2 \, \text{mg N/L}\)
  • Charge en N-NH₄⁺ entrant (\(Charge_{N-NH4,in}\)): \(360 \, \text{kg N/jour}\)
  • Azote nitrifié (\(N_{nitrifie}\)): \(342 \, \text{kg N/jour}\)
  • Débit (\(Q\)): \(8000 \, \text{m}^3\text{/jour}\)
Calcul et Développement :

1. Azote ammoniacal non nitrifié (masse) :

\[ \begin{aligned} N_{NH4,non\_nitrifie} &= 360 \, \text{kg N/jour} - 342 \, \text{kg N/jour} \\ &= 18 \, \text{kg N/jour} \end{aligned} \]

2. Masse d'azote organique non biodégradable en sortie :

\[ \begin{aligned} M_{Norg,nbd,out} &= Q \times C_{Norg,nbd,out} \\ &= 8000 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 2 \, \text{g N/m}^3 \\ &= 16000 \, \text{g N/jour} \\ &= 16 \, \text{kg N/jour} \end{aligned} \]

3. Masse maximale de nitrates pouvant rester en sortie pour respecter l'objectif NGL :

Masse NGL en sortie : \(M_{NGL,out} = Q \times C_{NGL,out} = 8000 \, \text{m}^3\text{/jour} \times 15 \, \text{g N/m}^3 = 120000 \, \text{g N/jour} = 120 \, \text{kg N/jour}\)

\[ \begin{aligned} M_{NO3,restant} &= M_{NGL,out} - N_{NH4,non\_nitrifie} - M_{Norg,nbd,out} \\ &= 120 \, \text{kg N/jour} - 18 \, \text{kg N/jour} - 16 \, \text{kg N/jour} \\ &= 86 \, \text{kg N/jour} \end{aligned} \]

4. Azote à dénitrifier :

\[ \begin{aligned} N_{denitrifie} &= N_{NO3,prod} - M_{NO3,restant} \\ &= 342 \, \text{kg N/jour} - 86 \, \text{kg N/jour} \\ &= 256 \, \text{kg N/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : La quantité de nitrates (exprimée en azote) à dénitrifier par jour est de \(256 \, \text{kg N/jour}\).

Question 6 : Besoin journalier en DCO pour la dénitrification (\(DCO_{req,denit}\))

Principe / Rappel Théorique :

Le besoin en DCO pour la dénitrification est proportionnel à la quantité d'azote (sous forme de nitrates) à dénitrifier.

Formule(s) Clé(s) :
\[DCO_{req,denit} = N_{denitrifie} \times R_{\text{DCO/N}}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Azote à dénitrifier (\(N_{denitrifie}\)): \(256 \, \text{kg N/jour}\)
  • Ratio DCO/N-NO₃⁻ (\(R_{\text{DCO/N}}\)): \(4.0 \, \text{kg DCO / kg N}\)
Calcul et Développement :
\[ \begin{aligned} DCO_{req,denit} &= 256 \, \text{kg N/jour} \times 4.0 \, \text{kg DCO/kg N} \\ &= 1024 \, \text{kg DCO/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 6 : Le besoin journalier en DCO pour la dénitrification est de \(1024 \, \text{kg DCO/jour}\).

Question 7 : Variation nette journalière d'alcalinité

Principe / Rappel Théorique :

La nitrification consomme de l'alcalinité, tandis que la dénitrification en produit. La variation nette est la somme de ces deux effets.

Formule(s) Clé(s) :
\[Alca_{cons,nitr} = N_{nitrifie} \times \text{Conso. alca. nitr.}\] \[Alca_{prod,denit} = N_{denitrifie} \times \text{Prod. alca. denit.}\] \[\Delta Alca_{net} = Alca_{prod,denit} - Alca_{cons,nitr}\]
Données Spécifiques pour cette Question :
  • Azote nitrifié (\(N_{nitrifie}\)): \(342 \, \text{kg N/jour}\)
  • Consommation d'alcalinité par nitrification : \(7.14 \, \text{kg CaCO}_3 \text{ / kg N}\)
  • Azote dénitrifié (\(N_{denitrifie}\)): \(256 \, \text{kg N/jour}\)
  • Production d'alcalinité par dénitrification : \(3.57 \, \text{kg CaCO}_3 \text{ / kg N}\)
Calcul et Développement :

Alcalinité consommée par la nitrification :

\[ \begin{aligned} Alca_{cons,nitr} &= 342 \, \text{kg N/jour} \times 7.14 \, \text{kg CaCO}_3\text{/kg N} \\ &\approx 2441.88 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} \end{aligned} \]

Alcalinité produite par la dénitrification :

\[ \begin{aligned} Alca_{prod,denit} &= 256 \, \text{kg N/jour} \times 3.57 \, \text{kg CaCO}_3\text{/kg N} \\ &\approx 913.92 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} \end{aligned} \]

Variation nette d'alcalinité :

\[ \begin{aligned} \Delta Alca_{net} &= 913.92 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} - 2441.88 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} \\ &= -1527.96 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : La variation nette journalière d'alcalinité est une consommation d'environ \(1527.96 \, \text{kg CaCO}_3\text{/jour}\). Cela signifie que globalement, le processus de traitement de l'azote (nitrification + dénitrification partielle) consomme de l'alcalinité. Un apport d'alcalinité externe pourrait être nécessaire pour maintenir un pH stable dans les réacteurs biologiques.

Quiz Récapitulatif

1. La nitrification est un processus qui :

2. Pour une dénitrification efficace, quel élément est indispensable en plus des nitrates ?

3. Le traitement complet de l'azote (nitrification suivie de dénitrification) a quel effet net sur l'alcalinité ?

Glossaire des Termes Clés

Azote Total Kjeldahl (NTK)
Somme de l'azote organique et de l'azote ammoniacal (\(N_{org} + N-NH_4^+\)). C'est une mesure de l'azote total susceptible d'être transformé biologiquement.
Azote Ammoniacal (\(N-NH_4^+\) ou \(N-NH_3\))
Forme réduite de l'azote inorganique présente dans les eaux usées brutes, issue de la décomposition de la matière organique azotée. Sa forme (ion ammonium \(NH_4^+\) ou ammoniac gazeux \(NH_3\)) dépend du pH et de la température.
Nitrification
Processus biologique aérobie en deux étapes où l'azote ammoniacal est oxydé en nitrites (\(NO_2^-\)) puis en nitrates (\(NO_3^-\)) par des bactéries autotrophes spécifiques (principalement Nitrosomonas et Nitrobacter).
Dénitrification
Processus biologique anaérobie (plus précisément anoxique) où les nitrates (\(NO_3^-\)) sont réduits en diazote gazeux (\(N_2\)) par des bactéries hétérotrophes spécifiques, en utilisant une source de carbone organique comme donneur d'électrons.
Conditions Aérobies
Conditions environnementales caractérisées par la présence d'oxygène moléculaire dissous (\(O_2\)), nécessaire à la respiration de nombreux micro-organismes.
Conditions Anoxiques
Conditions environnementales où l'oxygène moléculaire dissous est absent ou en très faible concentration, mais où d'autres accepteurs d'électrons oxydés (comme les nitrates) sont disponibles pour la respiration de certains micro-organismes.
Azote Total (NGL - Azote Global)
Somme de toutes les formes d'azote présentes dans l'eau : azote organique, azote ammoniacal, nitrites et nitrates (\(NTK + N-NO_2^- + N-NO_3^-\)).
Alcalinité
Capacité de l'eau à neutraliser les acides, principalement due aux ions bicarbonate, carbonate et hydroxyde. La nitrification consomme de l'alcalinité, tandis que la dénitrification en produit.
Exercice : Traitement de l’Azote en Station d’Épuration en Assainissement

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