Pour les eaux usées industrielles monocomposantes et dépourvues d'éléments nutritifs azotés et phosphorés, l'ajout opportun et approprié de ces éléments est particulièrement important.
L'azote, le phosphore et les autres nutriments sont essentiels à la croissance et à la reproduction des micro-organismes. Si leurs besoins en nutriments (N, P) ne sont pas satisfaits, leur croissance et leur reproduction sont compromises, et la fonction d'épuration des eaux usées par les boues activées disparaît avec leur mort. Par conséquent, pour les eaux usées industrielles monocomposantes et pauvres en azote et en phosphore, un apport opportun et approprié de ces nutriments est particulièrement important.
1. Nécessité de l'azote (N) et du phosphore (P) pour les boues activées
L'azote (N) et le phosphore (P) sont des composants essentiels du corps principal des micro-organismes présents dans les boues activées. Par conséquent, la compréhension des besoins nutritionnels de ces micro-organismes repose sur la connaissance de la composition chimique de leurs cellules. L'analyse chimique des cellules microbiennes révèle qu'elles contiennent une grande quantité d'eau (environ 80 %) et le reste est constitué de matière sèche (environ 20 %), elle-même composée de matière organique (environ 90 %) et de matière inorganique (environ 10 %). Parmi les substances organiques, le carbone est l'élément majoritaire (environ 53,1 %), suivi de l'azote (environ 12,4 %). Parmi les substances inorganiques, le phosphore est l'élément majoritaire (50 %), suivi du soufre, du sodium, etc. La formule chimique des cellules microbiennes est généralement C60H87O23N12P, ce qui démontre le caractère indispensable de l'azote et du phosphore pour les micro-organismes.
En revanche, la plupart des eaux usées sont composées de constituants complexes et contiennent généralement divers nutriments essentiels aux micro-organismes. Cependant, pour les eaux usées industrielles à composition relativement simple, la teneur relative en azote (N) et en phosphore (P) est très faible. Conformément au principe du facteur minimal – la croissance microbienne est limitée par le nutriment présent en plus faible proportion relative plutôt qu'en plus faible proportion absolue –, il apparaît que lors du traitement biologique des eaux usées industrielles, l'azote et le phosphore sont susceptibles de devenir des facteurs limitants. Par conséquent, lors du traitement des eaux usées industrielles à composition simple par la méthode des boues activées, l'ajout d'azote et de phosphore est nécessaire.
2. Effet du dosage d'azote et de phosphore sur les boues activées
Les éléments nutritifs (azote et phosphore) sont essentiels lors de la culture des boues activées et de leur fonctionnement normal. Par conséquent, l'effet du dosage d'azote et de phosphore sur le traitement des eaux usées industrielles monocomposantes par la méthode des boues activées est le suivant :
1. Dosage insuffisant d'azote et de phosphore
Lors du traitement par la méthode des boues activées, l'effet d'un dosage insuffisant d'azote et de phosphore sur les eaux usées se manifeste principalement sous les aspects suivants :
(1) Mauvaise floculation des boues activées
Pour décomposer la matière organique, les boues activées nécessitent un apport d'azote et de phosphore en proportions adéquates. En cas de carence en azote et en phosphore, elles ne peuvent produire suffisamment de micro-organismes pour décomposer la matière organique. Sans ces nutriments, l'apport d'azote et de phosphore en quantités suffisantes est insuffisant lors du processus de synthèse des boues activées, et leurs propriétés de floculation se détériorent immédiatement.
(2) Mauvaise décantation des boues activées
En raison d'une floculation insuffisante des boues activées, les flocs fins et abondants ne permettent pas une décantation efficace. Le gonflement des bactéries filamenteuses témoigne d'une carence en azote et en phosphore. De même, l'incapacité à synthétiser suffisamment de micro-organismes pour gérer la concentration relativement élevée de matière organique à l'entrée entraîne une surcharge des boues activées. Dans ces conditions, une mauvaise décantation est inévitable. Les boues activées se désagrègent ou floculent mal, ce qui provoque la formation d'écume et de mousse à la surface du liquide.
(3) Diminution de l'efficacité du traitement des boues activées
La baisse d'efficacité du traitement est également due à un manque de nutriments lors de la synthèse des corps bactériens, qui ne peut se faire efficacement et en quantité suffisante. Par ailleurs, la structure lâche des boues activées et les pertes liées à une décantation insuffisante constituent d'autres facteurs expliquant la faible efficacité du traitement par boues activées.
(4) L'effluent du bassin de sédimentation secondaire est jaune brunâtre
Plusieurs facteurs expliquent la couleur jaune brunâtre des effluents du bassin de décantation secondaire. Parmi eux, une carence en azote et en phosphore dans les boues activées entraîne un dysfonctionnement de leur synthèse et de leur métabolisme, provoquant leur désintégration. La dissolution de ces boues dans le milieu aquatique est à l'origine de l'anomalie constatée dans les effluents du bassin de décantation secondaire.
(5) Il est difficile d'augmenter la concentration de boues activées
Au début du traitement des eaux usées par boues activées, un apport insuffisant d'azote et de phosphore lors de la phase de culture et d'acclimatation des boues activées compromet sérieusement l'augmentation de leur concentration. Ceci se traduit par une faible concentration de boues activées et une absence de formation de biofilm après une période prolongée. Pendant la phase de culture des boues activées, les besoins en nutriments (N, P) sont identiques à ceux d'une culture classique et doivent être strictement contrôlés. Cependant, la quantité de nutriments nécessaire est légèrement supérieure, d'environ 15 % par rapport à la valeur normale. L'objectif est de créer les conditions périphériques nécessaires à un démarrage rapide et efficace de la culture des boues activées, et de garantir la prolifération rapide des boues activées au cours du processus.
2. Ajout excessif d'azote et de phosphore
Un apport excessif d'azote et de phosphore nuit également à la sédimentation des boues activées. Ses effets néfastes sur le système, lors du traitement des eaux usées par la méthode des boues activées, se manifestent principalement par les aspects suivants :
(1) Prolifération de mousse ou d'algues dans le bassin de sédimentation secondaire
Comme les algues, la mousse se reproduit par photosynthèse et nécessite des nutriments (azote, phosphore). Un excès de nutriments favorise la prolifération de mousse à la sortie du bassin de sédimentation secondaire. On observe également des traces d'algues même lorsque l'eau est bien traitée. Ceci s'explique par un apport excessif d'azote et de phosphore dans le système biochimique, empêchant une utilisation optimale des boues activées et entraînant une eutrophisation relative. L'efficacité du traitement par le filtre biologique s'en trouve réduite, généralement d'environ 10 %. En effet, les algues qui se développent ne dégradent pas la matière organique présente dans les eaux usées ; elles ont uniquement besoin de nutriments et de lumière solaire pour leur croissance et leur reproduction.
(2) Des boues flottantes apparaissent dans le bassin de sédimentation secondaire.
Il existe de nombreux facteurs pouvant expliquer la remontée des boues dans le bassin de sédimentation secondaire, mais la remontée des boues activées causée par un apport excessif d'azote et de phosphore est principalement due à l'excès d'azote présent dans les boues activées. Cet excès d'azote provoque la dénitrification des boues activées en conditions anaérobies. Le gaz généré lors de la dénitrification entraîne la remontée des flocs de boues activées, qui prennent alors souvent la forme de flocons.
(3) Modifications de la phase biologique dans le système de boues activées
Un apport excessif d'azote et de phosphore entraîne des modifications de la phase biologique du système de boues activées. Ces modifications se manifestent principalement par des changements dans le nombre de ciliés reptiliens, notamment la prédominance de certaines espèces de ciliés au détriment des vers campanulés, ainsi que par d'autres changements au sein de la population protozoaire des boues activées. Ainsi, un apport excessif d'azote et de phosphore a peu d'effet sur les micro-organismes des boues activées à court terme, mais un apport excessif prolongé modifie la population microbienne et a un impact significatif sur l'efficacité du traitement.
(4) Teneur excessive en azote et en phosphore dans les effluents
La quantité de micro-organismes présents dans les boues activées est déterminée, de même que la quantité de nutriments (N, P) nécessaire à leur croissance. Si l'apport de nutriments (N, P) est excessif, une partie de ces éléments ne sera pas utilisée et sera rejetée du bassin de sédimentation secondaire avec les eaux usées traitées. Il en résultera une concentration excessive de N et P dans l'effluent de la sédimentation secondaire, ce qui nuira à l'efficacité du traitement des eaux usées et aggravera l'eutrophisation du milieu aquatique.
III. Calcul du dosage de N et P
La détermination des quantités d'azote et de phosphore à ajouter est essentielle pour un apport judicieux de nutriments. Lors du calcul de ces quantités pendant le processus aérobie, on utilise généralement le ratio empirique suivant : matière organique : azote : phosphore = 100 : 5 : 1. Dans cette formule, la matière organique est représentée par C, l'azote par N et le phosphore par P. L'expression devient donc : C : N : P = 100 : 5 : 1. Ce ratio signifie que 5 g d'azote et 1 g de phosphore sont nécessaires pour 100 g de matière organique décomposée afin de garantir l'équilibre des besoins en nutriments lors de la décomposition de la matière organique par les boues activées.
Dans les applications pratiques, on constate souvent que les quantités d'azote (N) et de phosphore (P) calculées théoriquement sont supérieures aux besoins réels. Ceci s'explique principalement par la présence, en moindre quantité, de nutriments dans les eaux usées brutes. Si l'on néglige ces nutriments et que l'on se base uniquement sur les valeurs théoriques, les concentrations d'azote et de phosphore dans les eaux rejetées dépasseront les normes. Il est donc essentiel de contrôler précisément les teneurs en azote et en phosphore des eaux usées brutes, de les calculer et de les soustraire des valeurs théoriques afin d'éviter tout excès.
1. Méthode de calcul de l'ajout de la source d'azote
Actuellement, l'azote (N) fait l'objet de relativement peu de controverses et est généralement considéré comme l'azote total Kjeldahl (TKN). Hormis certains effluents industriels, la teneur en azote organique des eaux usées brutes est très faible ; l'apport est donc principalement calculé en fonction de l'azote ammoniacal. La quantité de source d'azote ajoutée est : N = V × G / Y.
Où:
addition de source N—N
V—volume d'eau dans la piscine
G—différence en N à compléter
Montant Y—N converti à partir de la source N
(1) Urée comme source d'azote ajoutée (masse moléculaire CH4N2O : 60,06 g/mol)
L'urée contient 46,7 % d'azote. Si 1 g de source d'azote doit être ajouté, il faut ajouter 2,14 g d'urée (Y = 1/0,467). (2) Sulfate d'ammonium comme source d'azote ((NH₄)₂·SO₄, masse molaire : 132,14).
Le sulfate d'ammonium contient 21,2 % d'azote. Si 1 g de source d'azote est nécessaire, il faut ajouter 4,72 g de sulfate d'ammonium (Y = 1/0,212).
(3) Nitrate d'ammonium comme source d'azote (NH4NO3 masse moléculaire 80 g/mol)
Le nitrate d'ammonium contient 35 % d'azote. Si 1 g de source d'azote est nécessaire, il faut ajouter 2,86 g de nitrate d'ammonium (Y = 1/0,35 = 2,86 g).
2. Calcul de l'ajout de phosphate
La culture de boues en général est calculée sur la base d'un rapport CNP de 100:5:1. Actuellement, le phosphore total (PT), généralement considéré comme du phosphate, ne fait pas l'objet de controverses. À l'exception des eaux usées industrielles contenant du phosphore organique spécifique et de l'hypophosphore, l'ajout effectif est calculé en fonction du phosphate. La quantité de source de phosphore ajoutée est : P = V × G / Z.
Dans la formule :
P—dose de source de P
V—volume d'eau dans la piscine
G—différence de N à supplémenter
Z — quantité de phosphate convertie à partir de la source de P
(1) Le dihydrogénophosphate de sodium est utilisé comme source de phosphore ajoutée (Na₂HPO₄·7H₂O, masse molaire 268,07 g/mol). Sa teneur en phosphore est de 11,57 %. Si 1 g de source de phosphore doit être ajouté, il faut ajouter 8,64 g de dihydrogénophosphate de sodium (Z = 1 / 0,1157 = 8,64 g).
(2) Le dihydrogénophosphate de potassium est utilisé comme source de phosphore ajoutée (K₂HPO₄·3H₂O, masse molaire 228,22 g/mol). Sa teneur en phosphore est de 13,6 %. Si 1 g de source de phosphore doit être ajouté, il faut ajouter 7,35 g de dihydrogénophosphate de potassium (Z = 1 / 0,136 = 7,35 g).
(3) Le superphosphate est utilisé comme source de phosphore dans les engrais phosphatés. Le phosphore actif contenu dans ces engrais est du pentoxyde de phosphore soluble (P₂O₅, masse molaire 141,94 g/mol). La teneur en phosphore actif des engrais phosphatés est de 12 %, et la teneur en phosphore du P₂O₅ est de 43,66 %. Si 1 g de phosphore est nécessaire, il faut ajouter 19,09 g d'engrais phosphaté Z = 1/(0,12 × 0,4366).
Le processus décrit ci-dessus est celui du traitement des eaux usées. Dans les stations d'épuration modernes, les analyses des eaux usées représentent une part importante. Pour contrôler l'efficacité et le déroulement du traitement, des instruments de mesure de la qualité de l'eau sont indispensables. Lianhua Technology est un fabricant fort de 42 ans d'expérience dans la production d'instruments de mesure de la qualité de l'eau. En 1982, l'entreprise a mis au point la méthode de spectrophotométrie à digestion rapide pour la DCO, permettant de déterminer la valeur de la DCO dans les eaux usées en 15 minutes. Par la suite, elle a successivement développé des testeurs rapides d'azote ammoniacal et de phosphore total.testeur rapide d'azote totalLianhua propose un testeur de DBO et estime pouvoir fournir des équipements de test sûrs, fiables et intelligents pour le secteur des analyses environnementales.
L'instrument de mesure du phosphore total de Lianhua Technology utilise la méthode spectrophotométrique au molybdène-antimoine. Du persulfate de potassium est ajouté à l'échantillon, qui est ensuite digéré à 120 °C pendant 30 minutes, puis un révélateur de couleur est ajouté pour la colorimétrie. L'instrument de Lianhua Technology dispose d'une courbe d'étalonnage. Après l'introduction de l'échantillon, il calcule et imprime automatiquement le résultat. La valeur mesurée est précise.
L'instrument de dosage de l'azote total de Lianhua Technology utilise la spectrophotométrie ultraviolette. Du persulfate de potassium alcalin est ajouté à l'échantillon, qui est digéré à 122 °C pendant 40 minutes, puis retiré et additionné d'acide chlorhydrique dilué. En mode ultraviolet, une cuve en quartz est utilisée pour la colorimétrie. L'instrument calcule et imprime automatiquement les résultats. Son utilisation est simple.
Date de publication : 22 novembre 2024
