Réduction de l'ozone des boues activées - Générateur d'ozone SANKANG
1. Présentation
Le procédé à boues activées est la technologie de traitement biologique la plus largement utilisée dans les stations d'épuration des eaux usées municipales dans le monde. Cependant, ce procédé génère des quantités importantes de boues excédentaires comme sous-produit de la prolifération microbienne. Ces boues excédentaires contiennent des micro-organismes pathogènes, des métaux lourds et des substances toxiques qui peuvent provoquer une grave pollution secondaire si elles sont éliminées de manière inappropriée. Les coûts de traitement et d'élimination des boues peuvent représenter plus de 60 % des dépenses totales d'exploitation d'une station d'épuration. Par conséquent, réaliser une réduction des boues tout en maintenant les performances de traitement est devenu un défi crucial pour l'industrie.
Parmi les diverses technologies de réduction des boues, l'ozonation est devenue un sujet de recherche brûlant en raison de sa grande efficacité de désintégration, de l'absence de sous-produits toxiques et d'une pollution secondaire minimale. L'équipement central—le générateur d'ozoneproduit de l'ozone à haute concentration par décharge corona ou électrolyse, fournissant l'oxydant pour les réactions ultérieures. Des études indiquent que l'ozonation peut réduire la production de boues jusqu'à 90 %, et pourrait même permettre un rejet de boues excédentaires « quasi nul ».
2. Mécanisme : Lyse-Croissance Cryptique
Le mécanisme central de la réduction des boues induite par l'ozone peut être résumé en un processus en deux étapes« lyse-croissance cryptique ».
2.1 Lyse (Désintégration cellulaire)
L'ozone est un oxydant puissant qui attaque et détruit directement les parois et membranes cellulaires microbiennes par des réactions électrophiles. Lors de la rupture cellulaire, les polysaccharides intracellulaires, les protéines et autres macromolécules biologiques, ainsi que le cytoplasme, sont libérés dans la phase liquide. Ce processus entraîne :
Désagrégation des flocs de boues et perturbation des réseaux bactériens filamenteux ;
Réduction de la taille des flocons, augmentation de la densité et amélioration significative des performances de sédimentation ;
Augmentations marquées de la DCO soluble (DCOs), de l'azote total (NT), du phosphore total (PT), des protéines et des polysaccharides dans la phase liquide.
Les recherches montrent que, dans une plage de dosage d'ozone de 0,01 à 0,15 gO₃/gVSS, la concentration de DCOs peut augmenter jusqu'à 60,6 fois, tandis que les matières en suspension totales (MEST) peuvent être réduites d'un maximum de 39,6 %.
2.2 Croissance cryptique
La matière organique dissoute libérée par les cellules désintégrées devient une source de carbone et une « nourriture » pour les bactéries viables restantes dans le système. Ces micro-organismes utilisent les matières organiques solubilisées pour leur métabolisme et leur croissance — un processus connu sous le nom de« croissance cryptique ». Grâce à ce mécanisme, la boue solide est partiellement oxydée en CO₂ et H₂O, et partiellement convertie en nouvelles cellules microbiennes, ce qui entraîne une réduction nette de la masse totale de boue.
3. Performance de réduction et principaux facteurs d'influence
3.1 Dosage d'ozone
Le dosage d'ozone est le facteur le plus critique déterminant l'efficacité de réduction. Les recherches montrent que le rendement de boues diminue significativement avec l'augmentation du dosage d'ozone. Dans les essais témoins sans ozone, le coefficient de rendement était d'environ 0,45 gSS/gSCOD ; à un dosage de 0,01 gO₃/gSS, il est tombé à 0,36 gSS/gSCOD ; à 0,02 gO₃/gSS, il a encore diminué à 0,20 gSS/gSCOD ; et à 0,03 gO₃/gSS, il n'était que de 0,03 gSS/gSCOD. Dans un procédé AO, à un dosage d'ozone de 0,05 gO₃/gSS avec une ozonation quotidienne de 10 %, 20 % et 30 % des boues du réacteur, le coefficient de rendement apparent des boues a diminué respectivement de 24 %, 46 % et 73 %.
Des expériences supplémentaires montrent que lorsque le dosage d'ozone augmente de 0 à 0,04 gO₃/gSS, le rendement de boues peut passer de 0,45 gSS/gSCOD à une valeur négative (-0,04 gSS/gSCOD), indiquant une réduction nette. Le dosage optimal se situe généralement dans la plage de 0,03 à 0,04 gO₃/gVSS. Un dosage aussi précis est fourni par unozonateur, dont la production stable est essentielle pour une efficacité d'oxydation et une performance de réduction constantes.
3.2 Autres facteurs d'influence
Outre le dosage d'ozone, les facteurs suivants affectent la performance de réduction :
Concentration d'ozone à l'entrée: Des concentrations plus élevées permettent une plus grande efficacité de réduction des boues ;
Concentration initiale des boues: Une concentration trop faible gaspille l'ozone, tandis qu'une concentration trop élevée réduit l'efficacité ; une MLSS d'environ 10 g/L est généralement recommandée ;
pH: Affecte l'efficacité d'oxydation de l'ozone et l'efficacité de désintégration des boues ;
Mode de fonctionnement du réacteur: Le fonctionnement continu surpasse généralement le fonctionnement par lots.
3.3 Impact sur la qualité de l'effluent
L'ozonation permet une réduction des boues avec un impact limité sur la capacité de traitement biologique du système. Des études montrent que les taux d'élimination de la DCO restent supérieurs à 88 % même après une ozonation prolongée. Bien que le taux d'utilisation de l'oxygène (OUR) diminue légèrement, les boues conservent une activité relativement élevée. L'ozonation simultanée n'affecte pas significativement l'élimination de la DCO ou du NH₄⁺-N dans les systèmes SBR.
4. Approches d'application en ingénierie
La technologie de réduction des boues par ozone est mise en œuvre dans la pratique selon plusieurs approches, toutes reposant sur une unité de production d'ozone intégrée pour une alimentation en gaz fiable et un contrôle du système.
4.1 Traitement en dérivation (approche principale)
Une partie des boues activées de retour est dirigée vers une unité de traitement à l'ozone pour désintégration, puis recyclée vers le bassin d'aération pour traitement biologique. C'est l'approche la plus largement adoptée et elle a été validée dans de multiples projets pilotes et à grande échelle. Dans ce mode, l'unité de production d'ozone est généralement disposée dans une boucle de dérivation pour réguler de manière flexible le taux de boues traitées.
4.2 Ozonation simultanée
L'ozone est directement introduit dans le réacteur biologique (par exemple, SBR, MBR) pour une oxydation simultanée. Le procédé combiné A/O-MBR+lyse O₃ a démontré une réduction efficace des boues avec une élimination améliorée de l'azote.
4.3 Procédés combinés
L'ozone peut être intégré à la désintégration mécanique, à des bactéries composites à haute efficacité, à la catalyse par Mn²⁺, au peroxyde d'hydrogène et à d'autres technologies pour améliorer encore l'efficacité de réduction. Par exemple, l'ozone couplé à la désintégration mécanique libère rapidement les matières organiques intracellulaires ; l'ozonation catalysée par Mn²⁺ permet une réduction supérieure des boues in situ.
5. Avantages et perspectives
La technologie de réduction des boues à base d'ozone offre les avantages significatifs suivants :
Réduction substantielle : L'ozonation peut réduire la production de boues jusqu'à 90 % ;
Aucune pollution secondaire : L'ozone se décompose en oxygène, n'introduisant aucun nouveau polluant ;
Amélioration de la décantation : La désintégration par l'ozone augmente la densité des flocs et réduit l'ISV ;
Source de carbone interne : Les matières organiques libérées servent de source de carbone, améliorant l'élimination de l'azote et du phosphore ;
Avantageux en termes de coûts: Des évaluations complètes des coûts et des émissions de carbone montrent des avantages économiques significatifs.
