Procédé inDENSE® pour boues granulées

À la STEP de Gossau-Grüngingen, une augmentation de la capacité de la biologie de 15'000 à 20'000 équivalents-habitants est prochainement nécessaire. Différentes variantes d'extension ont été envisagées, la priorité étant donnée à une extension avec des boues aérobies granulées dans les bassins biologiques existants en raison des faibles coûts d'investissement et d'exploitation ainsi que de la simplicité d'exploitation.

Boues aérobies granulées

On parle de boues aérobies granulées à partir d'un diamètre supérieur à 200 μm [1]. Celle-ci est typiquement retenue par des hydrocyclones dans les installations de boues activées à flux continu. Les boues granulées aérobies présentent des propriétés de décantation nettement améliorées par rapport aux boues activées conventionnelles, ce qui permet d'augmenter la concentration des boues activées dans les bassins biologiques. De plus, une augmentation de la capacité spécifique de nitrification par biomasse a déjà été démontrée dans les boues aérobies granulées [2]. En Suisse, le procédé hydrocyclone S::Select^® a déjà été mis en œuvre à la STEP de Glarnerland et à la STEP de Blindei [2, 3]. Dans ce procédé, le matériau porteur Mimics^® est ajouté pour initier la granulation. Le procédé inDENSE^® est un procédé alternatif d'hydrocyclone qui n'a pas encore été utilisé en Suisse. La granulation doit être provoquée par des conditions de processus appropriées. On part actuellement du principe qu'un gradient de substrat élevé est nécessaire pour enrichir les bactéries qui accumulent le substrat [1]. Le meilleur moyen d'y parvenir est de placer en amont une étape anaérobie avec un flux de bouchons (plug-flow). En raison du manque d'expérience avec le procédé inDENSE^® en Suisse, un essai pilote d'un an a été réalisé à la STEP de Gossau-Grüningen sur l'une des deux voies biologiques. Les caractéristiques des boues et les conditions du processus ont été étudiées, l'augmentation possible de la capacité a été évaluée et des expériences opérationnelles ont été recueillies.

Procédure

Layout de l'installation STEP de Gossau-Grüningen

La STEP de Gossau-Grüningen dispose de deux voies biologiques en procédé conventionnel à boues activées avec décanteur secondaire et filtration sur sable (Fig. 1). Pour éliminer les micropolluants (EMV), du charbon actif en poudre (PAK, pharmA-Clean) est dosé avant le filtre à sable. L'eau boueuse de la filtration sur sable est renvoyée dans la biologie. Les boues excédentaires sont évacuées par la décantation primaire. La biologie dispose d'un bassin non aéré toute l'année (15%) et d'une zone de bivalence (13%) aérée de début novembre à fin avril.

Intégration du procédé Indense^®

L'extraction des boues dans la biologie a été réglée en fonction de la concentration de matière sèche (MS) dans la biologie. L'alimentation des hydrocyclones s'est faite à partir des boues de retour (Fig. 1). Les boues qui décantaient bien étaient renvoyées dans la biologie par le bas du cyclone. Les boues peu décantables ont été retirées comme boues excédentaires par le trop-plein du cyclone et sédimentées avec les boues fraîches dans la décantation primaire. Afin d'obtenir des conditions de processus appropriées pour la granulation (gradients de substrat élevés, conditions anaérobies), le taux de boues de retour a été réduit à environ 70% et la zone de bivalve a été majoritairement exploitée sans aération. Afin de maintenir l'élimination de l'azote à un niveau élevé malgré la réduction du taux de boues de retour, une partie de la ligne pilote a été exploitée avec une aération intermittente (Fig. 1). L'aération intermittente a été réglée à l'aide d'une sonde à ammonium.

Analyses

L'indice de volume des boues (SVI) a été mesuré quotidiennement. Le SVI dans l'échantillon dilué à 2 g MS/l (diluted SVI = dSVI), la vitesse de descente et le fractionnement de la taille par tamisage ont été déterminés environ tous les mois dans la voie de référence et la voie pilote ainsi que dans le trop-plein et le cours inférieur de la voie pilote. Les expériences par lots visant à déterminer les activités maximales des bactéries oxydant l'ammonium (AOB), des bactéries oxydant les nitrites (NOB) et des bactéries accumulant le phosphore ont été réalisées avec les fractions tamisées de la voie de référence et de la voie pilote. Les expériences ont eu lieu dans des conditions non limitantes (substrat, oxygène) et à température ambiante dans un réacteur batch de 1 litre. Les échantillons pour l'analyse ultérieure de l'ADN ont été congelés à -80 °C. L'extraction et l'analyse de l'ADN ont été effectuées par Upwater AG. La procédure d'analyse de l'ADN est décrite plus en détail dans [4]. Les concentrations dans l'effluent de la décantation primaire, dans l'effluent de la décantation secondaire (échantillon mixte de la ligne de référence et de la ligne pilote) et après la filtration ont été analysées tous les 5 jours sous forme d'un échantillon global de 24 heures. La sortie de la ligne pilote a en outre été échantillonnée séparément au même intervalle. Des mesures individuelles ont été effectuées dans les bassins biologiques pour déterminer les conditions du processus.

Composition des eaux usées

Les concentrations dans l'effluent de la décantation primaire sont énumérées dans le tableau 1 . De juin à septembre 2022, les eaux usées présentaient un rapport DCO/N élevé. Le rapport DCO/N, sans tenir compte des retours internes, était de 9,6 ± 2,5 mg DCO/mg N_tot à la sortie de la décantation primaire de juin à septembre 2022, et de 7,9 ± 2,5 mg DCO/mg N_tot en moyenne sur l'ensemble de la période pilote. Des concentrations plus élevées de DCO ont tendance à être bénéfiques pour la granulation.

Tab. 1 Concentrations moyennes avec écarts-types dans l'effluent du traitement primaire de la STEP de Gossau-Grüningen sans retours internes.

Résultats

Caractéristiques des boues

Sélection des boues par cyclone

Le cyclone doit permettre de sélectionner les boues activées les plus sédimentables et de les réintroduire dans la biologie. La sélection physique par le cyclone était mesurable dès la mise en service du cyclone (Fig. 2). Cela s'est manifesté d'une part lors du tamisage, où la fraction d'un diamètre &gt ; 250 μm a été pratiquement entièrement retenue. D'autre part, le dSVI (correspondant au SVI dans l'échantillon dilué à 2 g MS/l) était également plus bas dans le flux inférieur (environ 80 ml/g) que dans le flux supérieur (environ 120 ml/g) dès la mise en service. Au microscope, on a pu constater après quelques mois une nette différence entre le trop-plein et l'écoulement inférieur (Fig. 3). Avec l'augmentation de la proportion de boues granulées, une fraction plus petite de granules est passée par le trop-plein dans le traitement des boues.

Caractéristiques des boues dans la biologie

La proportion de boues granulées a commencé à augmenter dans la ligne pilote, après environ un mois (Fig. 4). Ensuite, l'augmentation a été plus ou moins constante pendant la durée de l'essai, bien que les conditions du processus n'aient pas toujours été idéales (voir chapitre sur les conditions du processus). Après environ 9 mois, la proportion de boues granulées était d'environ 50%, ce qui était dans la fourchette des valeurs attendues : environ 50% de boues granulées ont également été atteints dans d'autres installations à flux continu [5]. A partir de début mars 2023, la concentration en MS a été fortement augmentée afin de tester la fonctionnalité de la décantation secondaire en cas de concentrations élevées en MS (voir le chapitre sur l'augmentation de la concentration en MS). L'augmentation rapide des MS a fait baisser la proportion de granules dans le dernier échantillon. La quantité totale de granules est cependant restée stable. Les petits granules d'un diamètre compris entre 250 μm et 500 μm sont restés prédominants pendant toute la période. Il ne s'est pratiquement pas formé de granules plus gros, ce qui a également été observé sur d'autres installations [5]. Les procédés continus se distinguent à cet égard des procédés discontinus Nereda^®, où jusqu'à 50% des boues ont un diamètre supérieur à 2 mm [6]. La taille plus petite des granulés dans les procédés continus peut s'expliquer par les forces de cisaillement élevées dans le cyclone et les conditions de processus moins favorables dans la biologie. En raison de la dynamique saisonnière, le dSVI a baissé simultanément dans les deux rues en juin 2022 (Fig. 4). Une différence importante du dSVI entre la route pilote et la route de référence n'a été visible qu'à partir de janvier 2023. Le SVI mesuré plus fréquemment est resté inférieur à 70 ml/g dans la route pilote jusqu'à fin février 2023, alors qu'il a augmenté jusqu'à 140 ml/g dans la route de référence malgré l'ajout répété de produits combinés contenant du fer et de l'aluminium (voir Fig. 6). En raison de l'augmentation subséquente de la MS dans la ligne pilote, des valeurs maximales de SVI de 85 ml/g ont été observées, en raison de la proportion plus faible de boues granulées (voir Fig. 6). La vitesse de descente a atteint des valeurs supérieures à 4 m/h dans la rue pilote à partir de septembre 2022. Au niveau microscopique, la transformation de la boue au fil du temps était qualitativement bien visible (Fig. 5). Le SVI atteignable et la vitesse de descente dépendent entre autres des conditions de départ. La STEP de Gossau-Grüningen dispose d'un SVI et d'une vitesse d'immersion relativement bons depuis la mise en service de l'étape EMV (dosage des HAP sur filtration sur sable avec recyclage de l'eau boueuse dans la biologie) en juillet 2021. Le SVI de 40-70 ml/g observé dans l'essai pilote se situait donc de manière plausible dans la zone inférieure à moyenne par rapport à d'autres études (env. 40-80 ml/g ; [7]).

Bactéries filamenteuses

En raison du meilleur SVI dans la chaîne pilote, la question se pose de savoir si l'hydrocyclone élimine sélectivement les bactéries filamenteuses. L'analyse de l'ADN des bactéries a révélé la présence de deux bactéries filamenteuses connues parmi les 30 genres de bactéries les plus fréquents : Ca. Microthrix et Kouleothrix. Parmi ces deux bactéries filamenteuses, Ca. Microthrix présente souvent une bonne corrélation avec l'IVS [8]. Cela s'est également vérifié à la STEP de Gossau-Grüningen : Tant en mai/juin 2022 (les deux routes) qu'à partir de janvier 2023 (route de référence), un SVI élevé est apparu en même temps que des fréquences relatives élevées de Ca. Microthrix (Fig. 6). La fréquence relative de Ca.Microthrix était plus élevée dans la voie de référence que dans la voie pilote, malgré l'ajout de produits combinés avec du fer et de l'aluminium. L'analyse de la ligne pilote a montré que Ca. Microthrix était bien présent dans les flocons, mais à peine dans les granules. Il semble évident que l'extraction sélective des boues excédentaires par le cyclone réduit les bactéries filamenteuses, mais ne les empêche pas complètement dans les flocons. Il faut donc qu'une part significative des boues soit présente sous forme de granulés pour que l'IVS puisse être maintenue à un niveau bas toute l'année. L'extraction sélective des boues excédentaires via le cyclone ne suffit pas à elle seule à supprimer les bactéries filamenteuses. Une proportion trop faible de boues granulées pourrait également expliquer pourquoi l'amélioration du SVI n'apparaît parfois qu'avec un certain retard, à partir de la deuxième année d'exploitation [9].

Population totale

En raison de la proportion élevée de granules, on peut se demander si la population bactérienne totale varie moins en fonction des saisons. Une analyse de la composition de la population à l'aide d'une échelle multidimensionnelle non métrique (NMDS) est présentée à la Figure 7. Plus les points de données d'une NMDS sont éloignés les uns des autres, plus la composition bactérienne est différente. L'analyse de la population totale a montré qu'au début de l'expérience, les deux rues avaient une population totale très similaire. La rue de référence présentait ensuite une saisonnalité annuelle, c'est-à-dire qu'à la fin de l'année pilote, on retrouvait une population totale très similaire à celle du début. Dans la rue pilote, la population totale est en revanche restée nettement plus stable que dans la rue de référence à partir de janvier 2023. En revanche, les flocons de la route pilote présentaient une composition et une saisonnalité similaires à celles de la route de référence (Fig. 7).

Conditions du processus

On suppose actuellement que des conditions anaérobies sont nécessaires pour la granulation, ce qui entraîne la croissance de bactéries accumulant du substrat, du phosphore ou du glycogène [1]. Des échantillons individuels ont montré que des conditions anaérobies ont été atteintes dans la première zone non aérée de la ligne pilote de juillet à septembre 2022 avec un bon rapport DCO/N d'alimentation (Tab. 1). Ensuite, selon les échantillons individuels, il n'y avait plus de conditions anaérobies. Des expériences par lots ont en outre confirmé une élimination biologique du phosphore en août 2022, mais pas de janvier à mars 2023. Les analyses d'ADN ont montré de manière concordante que l'abondance relative des Dechloromonas accumulant du phosphore ou du glycogène a fortement diminué à partir d'août 2022 pour se situer ensuite dans la zone de la limite de détection (Fig. 8). Dechloromonas s'installaient surtout dans les flocons, mais pas dans les granules de la voie pilote. En été, elles sont également apparues dans la rue de référence. Il est intéressant de noter que la granulation a progressé de manière continue malgré des conditions de processus inappropriées. Les essais ne permettent donc pas de déterminer si les conditions anaérobies ne sont nécessaires qu'au début. Dans une ligne pilote de la STEP de Laufäcker, aucune granulation ne s'est produite dans des essais parallèles malgré des conditions de processus anaérobies. La question se pose de savoir si les particules de HAP à Gossau-Grüningen ont servi de corps de croissance et ont ainsi favorisé la granulation. Cependant, les HAP sont probablement trop petits pour être retenus sélectivement dans le cyclone (voir le chapitre sur les expériences d'exploitation).

Augmentation de la capacité

Augmentation de la concentration en MS

Les meilleures propriétés de décantation permettent d'augmenter la concentration en MS dans la biologie : Avec un dimensionnement conservateur sur un SVI de 80 ml/g, la concentration en MS peut être augmentée de 2,5 g/l aujourd'hui à 3,75 g/l selon un dimensionnement usuel selon DWA-A 131 [10] (Fig. 9). Il en résulte une augmentation de capacité de 50%. En plus de l'augmentation de capacité nécessaire de 15'000 à 20'000 équivalents-habitants, l'élimination de l'azote peut donc également être augmentée à la STEP de Gossau-Grüningen. A partir de début mars 2023, l'augmentation de la concentration en MES a été effectivement testée dans la rue pilote. Jusqu'à fin mai, elle est passée de 2,7 g/l à 4,4 g/l (Fig. 10). L'augmentation des MS n'a pas posé de problème : la concentration de substances non dissoutes (GUS) dans l'écoulement de la décantation secondaire est restée discrète et aucun problème d'exploitation n'est apparu.

Taux de nitrification spécifiques aux ST

Des tests d'activité ont été réalisés de début janvier à fin mai 2023 (Fig. 11) afin de déterminer si les agents nitrifiants étaient retenus de manière sélective dans la biologie avec les granules et si cela entraînait une augmentation de la capacité de nitrification. Les tests d'activité visant à déterminer les taux de conversion maximaux des AOB et NOB ont été réalisés dans des conditions non limitantes (substrat, oxygène). Dans la voie pilote, le taux de conversion maximal d'ammonium par MS mesuré était environ 30-40% plus élevé que dans la voie de référence (Fig. 11). Par rapport aux flocons, les granulés présentent un taux de conversion maximal d'ammonium par MS plus élevé. Ces résultats ne se sont pas reflétés dans les analyses ADN. Par conséquent, les fréquences relatives de l'AOB Nitrosomonas dans la voie de référence et la voie pilote ainsi que dans les flocons et les granules de la voie pilote se situaient dans une fourchette très similaire (Fig. 12). La divergence entre les expériences par lots et les analyses d'ADN en ce qui concerne les AOB doit être étudiée plus avant. Les taux de conversion AOB observés, plus élevés dans la rue pilote, concordent avec les expériences par lots menées à la STEP de Glarnerland : Dans le Glarnerland également, une augmentation de la performance de la nitrification spécifique à la MES d'environ 50% a été constatée dans une ligne pilote [2]. On peut donc supposer qu'une augmentation supplémentaire de la capacité peut être obtenue par la rétention des nitrifiants. Il reste cependant à étudier la stabilité et l'étendue de cette capacité accrue dans l'exploitation effective. A la STEP de Gossau-Grüningen, aucune différence significative n'a été constatée entre les capacités d'épuration des deux routes (voir également le chapitre sur la capacité d'épuration). En ce qui concerne l'activité maximale de NOB mesurée, un taux de conversion des nitrites fortement accru a pu être mis en évidence dans les granules de la route pilote (Fig. 11). Le taux de conversion maximal des nitrites par MS était environ deux fois plus élevé dans la rue pilote que dans la rue de référence. Contrairement aux AOB, les échantillons d'ADN ont confirmé que les NOB du genre Nitrospira étaient fortement accumulés dans la route pilote (Fig. 12). En particulier, une fréquence relative de parfois plus de 20% a été atteinte dans les granules. Une proportion aussi élevée de NOB a également été détectée dans un lit fluidisé hybride [11]. Avant le lancement des essais pilotes en mai 2022, le genre Nitrotoga est également apparu brièvement. Un changement de population similaire de Nitrospira à Nitrotoga ne s'est plus produit au printemps 2023. Un changement de population de Nitrospira vers Nitrotoga, survenant au printemps, avait déjà été observé à la STEP d'Uster [12]. Le changement de population était corrélé à des émissions élevées de nitrites et de protoxyde d'azote et à des changements importants dans la population totale. La stabilisation observée de la population totale (fig. 7) et la population enrichie en NOB (fig. 12) pourraient éventuellement conduire à une réduction des émissions de protoxyde d'azote.

Expériences d'exploitation

Efficacité de l'épuration

Les concentrations de MES dans la référence et la route pilote se situaient dans une plage similaire jusqu'à fin février 2023 (voir Fig. 10). Les valeurs d'effluents des deux rues étaient comparables. Il en va de même pour les micropolluants (3 mesures). L'aération intermittente dans la rue pilote n'a eu pratiquement aucun effet sur l'élimination de l'azote. En raison des possibilités limitées de contrôle de la biologie, l'optimisation de l'élimination de l'azote n'était pas le point focal de l'essai.

Charbon actif en poudre

Les particules plus grosses sont mieux retenues dans le cyclone. La question s'est donc posée de savoir si les HAP s'accumulaient dans la biologie, réduisant ainsi la capacité de nettoyage par la biomasse active. On a pu constater au microscope que les HAP se trouvaient aussi bien en amont qu'en aval et qu'au moins une certaine proportion des HAP quittait donc la biologie. Comme les HAP sont mesurés en tant que partie de la perte au feu, la perte au feu a été comparée dans la ligne de référence et dans la ligne pilote. Aucune différence significative n'a été constatée. Comme la performance spécifique de nitrification était bonne selon les expériences par lots et que l'élimination des micropolluants était similaire à celle de la ligne de référence, il n'a pas été nécessaire de procéder à des mesures spécifiques des HAP.

Dépôts

En mai 2023, des échantillons de MES ont été prélevés à différents endroits de la biologie et à différentes hauteurs afin de déterminer une éventuelle stratification des boues activées dans le bassin de biologie. Aucune stratification n'a été constatée.

Entretien

Les cyclones étaient très robustes et nécessitaient peu d'entretien : aucun problème de fonctionnement, tel qu'une panne ou un colmatage des cyclones, n'est survenu pendant toute la durée de l'essai.