Par Stefanie Gregg
L’aération est une méthode primaire de traitement des eaux usées municipales et industrielles depuis plus de 40 ans. C’est un moyen naturel de contrôler la demande biologique en oxygène (DBO), de maximiser la digestion aérobie des matières organiques et de contrôler les odeurs. En tant que technologie solidement établie, les systèmes d’aération continueront de jouer un rôle dans l’avenir. Cependant, existe-t-il un moyen d’améliorer l’efficacité et de réduire les coûts d’exploitation?
Certains types de systèmes d’aération sont intrinsèquement plus efficaces. Il nécessite moins d’énergie pour injecter de l’oxygène droit (O2) que pour pousser des volumes d’air dans un bassin d’aération. Même une plante de taille moyenne peut traiter un million de gallons ou plus par jour, et des banques de ventilateurs et d’aérateurs de surface fonctionnant en trois phases à 460V en continu peuvent facilement consommer des kilowatts par heure. De plus, il est clair pourquoi l’électricité représente généralement environ 30% des coûts d’exploitation d’une installation.
En conséquence, plusieurs ventilateurs peuvent réduire la possibilité de pannes de pompage à l’échelle du système. Les joints tombent en panne, l’usure interne et l’efficacité de la pompe se dégrade avec le temps, et simultanément, des matières organiques et d’autres contaminants peuvent se déposer à l’intérieur et entraver l’écoulement des eaux usées dans les tuyaux du convoyeur. Certains contaminants peuvent également corroder les composants internes de l’équipement.
Étant donné que les soufflantes s’usent et tombent en panne à différents moments, leur remplacement en même temps peut être une décision difficile – qui nécessite un investissement en capital substantiel avec le soutien de la haute direction ou l’approbation du gouvernement. Le remplacement total peut devenir nécessaire avec des installations plus anciennes ou lorsque l’efficacité globale du traitement des eaux usées ne peut pas suivre les demandes de traitement en plein essor en raison de nouveaux développements ou de facteurs de demande saisonniers. Cela peut impliquer l’installation de stations aériennes parallèles pour suivre le rythme de la demande. Dans la majorité des cas, un système de rappel d’O2 peut offrir une alternative rentable au remplacement complet ou un complément de prétraitement précieux à un système d’aération existant.
Cinq fois mieux que l’air
Le transfert d’oxygène pur peut résoudre divers problèmes sans nécessiter de construction complexe. Un transfert supplémentaire d’oxygène couvre les besoins de pointe, par exemple en cas d’afflux accru d’eaux usées, d’intensification de la DBO/ DCO, de concentration d’azote ou de fluctuations importantes des charges de pollution. Dans certains cas, les autorités de traitement veulent passer à des normes de traitement plus élevées pour des raisons environnementales locales ou bien les nouvelles exigences des systèmes de traitement existants peuvent dépasser la capacité de conception initiale. Les collectivités peuvent également avoir besoin d’améliorer leur capacité en raison de nouveaux aménagements dans la région ou simplement d’améliorer leur capacité de pointe de traitement des eaux usées pendant et après les tempêtes.
De nombreux problèmes de traitement des eaux usées municipales remontent à une oxygénation insuffisante, et un signal d’une purification inadéquate ou de processus de décomposition anaérobie est les odeurs désagréables. Idéalement, les plantes devraient réagir tôt aux odeurs et aux autres problèmes de traitement pour éviter de dépasser les objectifs de traitement ou de générer des plaintes de la communauté. Les systèmes d’oxygénation sont naturellement beaucoup plus efficaces que l’aération directe, l’air contenant 79% d’azote et seulement environ 21% d’oxygène. De même, 100% d’oxygène offre environ cinq fois la capacité d’oxygénation d’un système à air forcé.
L’oxygène peut être injecté dans les eaux usées de plusieurs façons. Dans les systèmes supplémentaires, le système d’injection d’oxygène peut être installé en prétraitement avant l’aération primaire ou plus souvent directement dans un lagon de traitement aéré. L’oxygénation supplémentaire est généralement la plus efficace près de l’entrée d’effluent, mais plusieurs injecteurs peuvent être positionnés dans un bassin de traitement pour traiter de plusieurs côtés afin d’atteindre les objectifs de traitement. De plus, un système supplémentaire peut rapidement réduire les exigences d’un système d’aération primaire et peut fonctionner en continu ou simplement pendant les charges de traitement de pointe. Le système d’oxygénation peut pousser un volume de gaz inférieur, tandis que l’efficacité du traitement sera beaucoup plus élevée. Un système supplémentaire peut également réduire la demande sur le système d’aération primaire, contribuant ainsi à réduire les coûts d’énergie et de maintenance.
Avantages du système d’appoint d’oxygène
- Solution rapide pour de nombreux problèmes d’odeurs et de traitement
- Investissement à faible coût
- Performances de traitement améliorées
- Transfert et utilisation optimisés de l’oxygène
- Faible entretien
Fig. 1. Schéma du système.
Une méthode courante d’injection d’oxygène pour les systèmes municipaux consiste à utiliser des jets de gaz spéciaux (voir schéma du système Fig. 1). La figure 2 montre un ensemble exclusif de jets de gaz pour le système SOLVOX®–V de Linde pour une distribution uniforme de l’eau enrichie en oxygène. Les jets sont faciles à installer dans les lagunes ou les réservoirs de traitement existants. L’installation comprend un réservoir de stockage d’oxygène, un système de contrôle et une unité de vaporisateur qui convertit l’O2 liquide en oxygène gazeux à basse pression. Le système est conçu pour correspondre aux charges de pointe prévues, tandis que le système de contrôle mesure l’oxygène pour répondre aux demandes de traitement instantanées et minimise la consommation globale d’oxygène. Le système comprend également des lignes d’alimentation pour chaque banc de jets et un ventilateur submersible pour chaque ensemble.
Fig. 2. Un système d’appoint avec jets d’oxygénation qui nécessite un investissement minimal, est facile à installer et est idéal pour les lagunes de traitement d’aération.
Une autre méthode de distribution d’O2, utilisée pour traiter les effluents organiques pré-filtrés dans de grands réservoirs de traitement, consiste à utiliser des tuyaux d’oxygène ou des tapis de diffusion. Cette méthode est plus souvent utilisée comme système de traitement primaire de l’oxygène, mais elle peut également être utilisée comme système supplémentaire pour contrôler plus étroitement la DBO dans les réservoirs de traitement aérobie. Les tuyaux d’oxygène et les tapis de diffusion spécialement conçus sont utiles pour maximiser l’activité aérobie dans les réservoirs de profondeur modérée. Pour une profondeur de 15 à 20 pieds. les réservoirs, une injection latérale est plus économique.
Les tuyaux d’oxygène ou les tapis de diffusion injectent de l’O2 dans une disposition serpentine près du fond du réservoir. L’oxygène est délivré à des pressions inférieures à 100 psi et pousse à travers des perforations, envoyant des milliers de minuscules bulles à travers le liquide (voir fig. 3). Le flux ascendant d’oxygène dissous alimente la digestion aérobie tout en contribuant à la circulation du réservoir. Un tuyau d’oxygène ou un tapis de diffusion de 120 pieds. de capacité linéaire peut comprendre environ 300 perforations par pied et peut transférer de l’oxygène à environ 300 à 800 scf / h, en fonction des constituants des eaux usées, de la température de l’eau et d’autres facteurs de distribution et de diffusion. Couplé à un système de rétroaction, la surveillance des niveaux d’oxygène dissous près de la surface du réservoir peut aider à maximiser l’efficacité de l’oxygénation et fournir une jauge utile pour supprimer les odeurs. Les systèmes d’oxygénation des jets de gaz ou des tapis de diffusion peuvent généralement être installés en 1 à 2 jours.
Certaines usines de traitement municipales incluent la dénitrification, et l’oxygénation peut fournir un moyen rentable d’accroître l’efficacité des boues activées et d’autres systèmes de traitement de la dénitrification. En plus des méthodes ci-dessus, l’oxygène peut être injecté directement dans des tuyaux sous pression lorsque les effluents s’écoulent vers ou depuis un réservoir de traitement. Des buses sphériques spéciales peuvent également empêcher le colmatage, et le type et le placement de l’injection d’oxygène peuvent varier en fonction du type et de la configuration du système. Pour réitérer, un système de suralimentation en oxygène supplémentaire est relativement facile à moderniser. La dénitrification est également à noter, car d’autres utilisations de l’oxygénation doivent être envisagées pour la planification du site.
Fig. 3. Bulles d’oxygène de haute pureté à travers des tuyaux de traitement perforés pour améliorer l’efficacité de l’aération.
Les systèmes d’oxygénation nécessitent un apport constant d’oxygène de qualité industrielle, mais ne comportent que peu ou pas de pièces mobiles. La seule énergie externe est dédiée au système de contrôle (et aux ventilateurs pour l’oxygène projeté), l’oxygénation n’utilise donc qu’une fraction de l’énergie d’un système d’aération équivalent. L’oxygène de haute pureté (typiquement > 99,5%) minimise l’usure des composants internes du système d’administration et contribue à assurer des performances de traitement constantes.
Les installations municipales de traitement peuvent posséder ou louer les réservoirs de stockage d’oxygène sur place, et l’oxygène certifié est fourni dans le cadre d’une entente annuelle ou pluriannuelle avec un fournisseur principal de gaz industriel. Les arrangements d’approvisionnement peuvent inclure des pipelines pour les grands systèmes municipaux ou des systèmes de surveillance télémétrique des réservoirs, de sorte que les livraisons peuvent être automatiquement planifiées lorsque l’oxygène liquéfié tombe en dessous d’un niveau de stockage spécifié.
En bref, les systèmes d’appoint d’oxygène offrent un moyen rapide d’améliorer considérablement les performances de traitement et de prolonger la durée de vie des compresseurs et des systèmes à air existants. Une évaluation sur site et un test de DBO peuvent déterminer les paramètres de débit et de traitement existants, ainsi que définir les exigences d’un système de suralimentation en oxygène. Bien que les systèmes d’oxygénation soient parfois utilisés dans le traitement de secours, le meilleur moment pour installer un système de suralimentation est avant les pics saisonniers et bien avant que la capacité existante ne soit dépassée.
À propos de l’auteur : Stefanie Gregg est Ingénieure commerciale d’applications chez Linde avec plus de 13 ans d’expérience en ingénierie dans le traitement industriel et municipal de l’eau/ des eaux usées. Elle assiste régulièrement des professionnels du traitement de l’eau à travers les États-Unis. en évaluant les systèmes d’amélioration des processus et en élaborant des stratégies d’efficacité maximale. Gregg a obtenu un baccalauréat en génie chimique de l’Université Drexel.
À propos de Linde: Linde est le plus grand fournisseur commercial de CO2 en Amérique du Nord avec un vaste réseau de distribution à l’échelle nationale. La société propose également des systèmes de dissolution de gaz à l’oxygène (O2) et à l’ozone (O3) pour le traitement de l’eau. L’équipe de traitement des eaux de Linde examine les défis de traitement et développe des solutions d’ingénierie complètes pour le stockage, le dosage et l’injection de gaz. Pour plus d »informations, visitez Linde sur www.lindewatertreatment.com , ou appelez le 800-755-9277.