Aération et brassage dans le procédé à boues activées

1. Principe général 

La fourniture d'oxygène est indispensable à tout système biologique aérobie, et en l'occurence aux boues activées. L'oxygène est consommé lors des réactions d'oxydation des pollutions carbonées et azotées (élimination de la DCO et nitrification) qui se déroulent au sein du bassin aérobie. Ainsi, les besoins en oxygène dépendent de la quantité de pollution carbonée et azotée à éliminer quotidiennement et de la consommation de la biomasse. 

L'apport d'oxygène sous forme gazeuse dans le bassin d'aération est régi par la théorie du transfert de matière à l'interface gaz-liquide. Le modèle le plus simple pour décrire les interactions au niveau de cette interface est le modèle du double film de Lewis et Whitman (1924). Il montre qu'il existe deux fines régions de part et d'autre de l'interface, appelées "couches limites", dans lesquelles sont localisées les résistances au transfert des molécules gazeuses vers la phase liquide. La schématisation de cette théorie est présentée sur la figure ci-dessous:


Modèle du double film
(Source : 
http://uved-ensil.unilim.fr/co/Theroie_transfert.html​)

Dans ce modèle, il est considéré que la concentration et la pression partielle en oxygène sont homogènes  dans le milieu liquide et le milieu gazeux respectivement. Cependant, au niveaux des films gazeux et liquide, on peut voir qu'il existe un gradient de concentration entre la concentration dans le milieu et la concentration à l'interface, supposée à l'équilibre et égale à la concentration à saturation. Il se met alors en place un transfert de matière par diffusion. La loi cinétique du transfert d'oxygène est donnée par la formule suivante :

$$r_{v}=K_{L}a*(C_{s}-C_{L})$$

Avec : rv le flux de composé par unité de volume et par unité de temps (g.m-3.s-1), KLa le coefficient de transfert (s-1) avec a la surface volumique (m2/m3), Cs la concentration en oxygène à saturation dans le milieu (g.m-3), CL la concentration en oxygène dans la phase liquide (g.m-3)

La teneur en MES présente dans les eaux traitées réduit la vitesse de transfert de l'oxygène par rapport à celle qui serait observée dans une eau "propre". Ainsi, le coefficient de transfert pour des eaux usées diffère de celui mesuré pour des eaux propres d'un coefficient $\alpha$, et de la même façon, la concentration d'oxygène à saturation dans une eau usée diffère de celle d'une eau propre d'un coefficient $\beta$. Ces coefficients permettent de déterminer l'efficacité réelle des systèmes d'aération, et ils dépendent du type d'aérateur choisi et de la qualité des eaux. 

$$\alpha=\frac{K_{La}(eau-usée)}{K_{La}(eau-propre)}$$

$$\beta=\frac{C_{s}(eau-usée)}{C_{s}(eau-propre)}$$

2. Choix du type d'aérateur

2.1 Les types d'aérateurs

Le transfert de l'oxygène de l'air au sein du mélange eau-boue biologique peut être réalisé au moyen de différents dispositifs. On distingue trois grandes catégories d'aérateurs: Les aérateurs de surface, les aérateurs de volume, et les aérateurs fonctionnant grâce à des pompes.

Les premiers fonctionnent par projection d'eau dans l'air sous forme de films et de gouttelettes grâce à des turbines ou à des ponts brosses. Si leur maintenance est assez aisée, le rendement est relativement faible. 

Les aérateurs de volume peuvent être des systèmes à insufflation d'air, des systèmes éjecteurs ou des jets de liquide. Les systèmes à insufflation d'air introduisent l'air surpressé en profondeur des bassins sous forme de bulles de diamètres plus ou moins grands. On parle de bulles moyennes pour des bulles dont le diamètre initial varie de 4 à 6 mm et on parle de bulles fines pour des bulles de diamètre initial de l'ordre de 3 mm. Le rendement d'oxygénation est d'autant plus élevé que la taille moyenne des bulles est faible. 

2.2 Choix de l'aérateur

Nous avons choisi une profondeur du bassin d'aération classique de 6 mètres ce qui impose un aérateur de volume. Cette hauteur de liquide favorise le transfert d'oxygène. L'objectif est de dimensionner l'aérateur de manière à ce qu'il assure à la fois l'aération et le brassage du bassin. Il faudra donc déterminer la puissance installée de l'aérateur, et vérifier que la puissance du brassage est comprise entre environ 20 et 35 W/m3. Après différents essais, nous optons pour une insufflation de fines bulles d'air car il paraît être le dispositif le mieux adapté à notre système. 

Il existe différents modèles de diffuseur de fines bulles d'air représentés sur la figure ci-dessous:


Différentes formes de diffuseur
(source : Fiche Fndae n°26) 

Les performances que nous avons fixées pour l'aérateur du bassin sont répertoriées dans le tableau suivant (valeurs choisies par rapport aux données CEMAGREF):

Caractéristiques de l'aérateur
Apport spécifique brut (A.S.B) 1,9 kgO2.kWh-1
Rendement par mètre d'eau  5 %/m
Hauteur d'eau 6 m
Débit par diffuseur 4 Nm3/h

3. Dimensionnement

3.1 Demande en oxygène

  • Théorie

La première étape du dimensionnement consiste à déterminer la quantité d'oxygène nécessaire au bon fonctionnement du procédé biologique. La demande en oxygène comprend tout d'abord la quantité d'O2 nécessaire aux bactéries hétérotrophes fonctionnant en aérobie pour dégrader la DCO par respiration exogène (catabolisme). On obtient cette quantité en soustrayant la production de boue à la quantité totale de DCO dégradée puisque l'anabolisme ne consomme pas d'oxygène (cf.figure ci-dessous). Il faut ensuite ajouter la quantité d'O2 nécessaire aux bactéries autotrophes pour dégrader l'azote ammoniacal toujours par respiration exogène. On obtient cette valeur en connaissant le flux d'azote nitrifiéA ces deux quantités, il faut retrancher la quantité de DCO oxydée avec les nitrates et non l'oxygène par les bactéries hétérotrophes fonctionnant en anoxie. Il s'agit de la quantité d'azote dénitrifié. Nous avons négligé l'augmentation de la consommation en oxygène par les réactifs ferreux (déphosphatation) au vu de leur volume très faible dans le bassin d'aération.

Bilan DCO sur la fraction biodégradée
(Source : Cours de traitement biologique pour les eaux usées, Etienne Paul)
 

  • Calcul de la demande en oxygène

​​Le calcul de la demande en oxygène en kilogramme par jour, notée DO, se fait donc avec la formule suivante :

$$DO(kg/j)=F_{DCO,0}*taux_{biodeg}-1,42Q_{p}X_{p}+4,57*F_{N,nitrifié}-2,86*F_{N,dénitrifié}$$

- 1,42 correspond au facteur de conversion DCO/MVS
​- 4,57 correspond à l'équivalent oxygène nitrate (1g N-NO3- correspond à 4,57g de O2)
- 2,86 correspond à l'équivalent oxygène ammoniac (1g N-NH4+ correspond à 2,86g de O2)

Toutes les valeurs de ces flux sont explicitées dans les parties "procédé à boues activées" et "production de boue", et on obtient une demande journalière en oxygène de 4076 kg.

3.2 Calcul du débit d'air à insuffler 

  • Calcul de la masse d'oxygène à introduire par heure dans le bassin (AH)

Après avoir déterminé la demande en oxygène, il faut calculer la masse d'oxygène à introduire dans le bassin en tenant compte des phénomènes de transfert gaz-liquide que nous avons décrit précédemment. On parle d'apport horaire spécifique (AH) pour désigner la masse d'O2 à introduire dans le bassin en une heure (kgO2/h).

$$AH = k_{L}aC_{L}*V$$

On peut déterminer A.H en faisant un bilan de matière sur la bassin d'aération : Flux entrant + Terme réactionnel + Terme de transfert = Flux sortant (en régime permanent, il n'y pas d'accumulation). 


Bilan matière sur l'aérateur 
(Source : Cours de traitement biologique pour les eaux usées, Etienne Paul)
 

Le bilan matière sur le bassin d'aération donne :$QC_{e}+\alpha*k_{L}a(\beta*C_{s}-C_{L})*V=r_{O2}V+QC_{L}$

Soit : $\alpha*k_{L}a*(\beta*C_{s}-C_{L})V=r_{O2}V+Q(C_{L}-C_{e})=DO$

D'où : $$AH = DO*\frac{C_{s}}{\alpha(\beta*C_{s}-C_{L})}$$

En considérant un réacteur parfaitement agité, la concentration en oxygène en sortie du bassin est égale à la concentration dans le bassin (2 g/m3). De plus, nous avons considéré les valeurs moyennes suivantes : α​=0,7, β​=0,99 et Cs=10g/m3.

On obtient AH=1,8*DO= 307 kgO2/h, et on déduit une capacité d'oxygénation de 0,04 kgO2/m3/h.

  • Calcul du rendement d'oxygénation, noté Rt

Nous avons fixé un rendement d'oxygénation par mètre d'immersion de 5%. Sachant que la hauteur d'immersion des diffuseurs est de 6 mètres (hauteur d'eau dans le bassin), on en déduit le rendement d'oxygénation de notre aérateur Rt=30%.

  • Calcul du débit d'air à introduire

Le débit d'air (en Nm3/h) à introduire se calcule avec la formule suivante :

$$Q_{air}=\frac{A.H}{Rt*ρ​_{air}*X_{O2}}$$

Avec : ρ​air la masse volumique de l'air (1,29 kgAir/m3 à 0°C), XO2​ le pourcentage d'oxygène dans l'air (21%).

On en déduit un débit de 3791 Nm3/h d'air. Avec le choix arbitraire de diffuseurs dont le débit unitaire serait de 4 Nm3/h, il faudra installer 948 diffuseurs d'air.

Les diffuseurs ont une durée de vie limitée dans le temps car leur vieillissement et leur colmatage entraîne une perte de charge. Afin de maintenir les performances du système et d'éviter des problèmes de surchauffe des surpresseurs, il convient de les renouveler environ tous les 5 ans.

3.3 Calcul de la puissance consommée pour l'aération

  • Puissance consommée brute, Pb

La puissance consommée brute est la puissance réellement absorbée pour l'aération. Connaissant l'apport spécifique brute, elle se calcule par la formule suivant:

$$P_{b}=\frac{A.H}{A.S.B}$$

On obtient une puissance brute de 162 kW.

  • Puissance consommée nette, Pn

La puissance consommée nette est la puissance installée, transmise par le moteur. En fixant un rendement de 80%, elle se calcule par la formule suivant:

$$P_{n}=\frac{P_{b}}{0,8}$$

On obtient une puissance nette de 202 kW. En considérant un fonctionnement quotidien de 24h, on obtient une consommation annuelle de 1770 MWh.

L'aération constitue un des principaux coûts d'exploitation d'une station d'épuration (jusqu'à 50-80 % des coûts énergétiques, sachant que les coûts énergétiques représentent environ le tiers des coûts d'exploitation). L'asservissement et la régulation de l'aération sont donc des points cruciaux de l'instrumentation, du contrôle et de l'automatisme d'une station d'épuration. Il faut réguler l'apport d'oxygène et donc le débit d'air entrant en fonction de la charge polluante.

4. Brassage des bassins 

Le brassage assure la mise en contact de la pollution avec les flocs bactériens et les bulles d'air. Dans le bassin aérobie, il est réalisé grâce à l'insufflation d'air, tandis qu'il faudra installer des agitateurs à vitesse lente au fond du bassin anoxie. 

4.1 Brassage dans le bassin d'aération

Pour assurer un brassage efficace dans le bassin aérobie, il faut que la puissance installée vérifie des conditions minimales de l'ordre de 20 W/m3.

On a : $$\frac{P_{n}}{V_{aération}}=24 W/m^{3}$$

Cette étape permet de valider que l'aérateur permet une bonne aération et un brassage suffisant.

4.2 Brassage dans le bassin anoxie

La puissance de ces agitateurs est fonction de la forme du bassin. En règle générale, on retiendra 10 W/m3 avec un fonctionnement continu, soit 15kW dans le cas de notre bassin. Il faudra donc ajouter un agitateur qui consommera 131 MWh par an.


Bibliographie

C.Cardot, Génie de l'environnement: Les traitements de l'eau pour l'ingénieur, Ellipses, 2010.

C.Dagot, J.Laurent, L'aération, consulté le 23/02/2015, URL:http://uved-ensil.unilim.fr/co/Aeration.html​​, ENSIL, 2013.

C.Dagot, J.Laurent, Transfert de gaz, consulté le 23/02/2015, URL:http://uved-ensil.unilim.fr/co/Theroie_transfert.html​, ENSIL, 2013.

E.Cotteux, P.Duchène, Insufflation d'air fines bulles Application aux systèmes d’épuration en boues activées des petites collectivités, Document technique fndae n°26; Ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche et des affaires rurales,CEMAGREF editions, 2002.

E.Paul, Traitement biologique des eaux, INSA Toulouse, 2014-2015

J.Pronost, R.Pronost, L. Delpat, J.Malrieu, JM Berland, Stations d'épuration: dispositions constructives pour améliorer leur fonctionnement et faciliter leur exploitation, Document technique fndae 22; Ministère de l'agriculture, de l'alimentation, de la pêche et des affaires rurales,CEMAGREF editions, 2002.