MBBR-AAO vs Bardenpho Retrofit : performances et comparaison de la suppression du TN

Comparaison des performances de modernisation entre AAO basé sur MBBR et Bardenpho

 

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Alors que les gouvernements du monde entier améliorent continuellement leurs politiques environnementales liées à l'eau et renforcent leurs efforts de lutte contre la pollution, les normes de rejet des eaux usées sont également revues à la hausse. Pour atteindre des normes d'émission élevées, la clé réside dans le respect des objectifs en matière d'azote ammoniacal et d'azote total (AT), ce qui nécessite soit une réduction/extension de capacité, soit une amélioration in situ des unités de traitement biologique secondaire. La plupart des eaux usées étant traitées Stations de traitement Les stations d’épuration des eaux usées (STEP) disposent d’un espace limité pour leur expansion, mais les technologies d’amélioration in situ pour le traitement biologique sont devenues l’une des solutions les plus efficaces.

 

Actuellement, la plupart des stations d'épuration utilisent des procédés à boues activées, notamment l'AAO (anaérobie-anoxique-oxique) et ses variantes, les fossés d'oxydation, le SBR (réacteur discontinu séquentiel) et ses dérivés. Cependant, ces procédés peinent à respecter des normes d'émission élevées de manière constante et stable, ce qui nécessite l'intégration d'autres technologies pour se conformer à des réglementations de plus en plus strictes. Lit mobile Réacteur à biofilm (MBBR)est l’une des solutions les plus adaptées.

 

L'essence même de la technologie MBBR réside dans l'ajout de supports en suspension à l'unité de traitement biologique, où un biofilm se forme sur ces supports pour améliorer l'élimination des polluants. Cette approche de modernisation suit une philosophie « intégrée », préservant la configuration initiale du procédé. Depuis la mise en œuvre réussie du premier projet MBBR à grande échelle à la station d'épuration de Wuxi Lucun, cette technologie est devenue l'une des solutions les plus courantes pour la modernisation des installations.

 

Le principal avantage du MBBR réside dans sa capacité à héberger efficacement les bactéries nitrifiantes, ce qui le rend très efficace pour l'élimination de l'azote ammoniacal, que ce soit pour les normes de grade 1A ou même les normes plus strictes. Pour l'élimination de l'azote nitrique, le MBBR exploite sa capacité de nitrification améliorée pour réduire le volume de la zone aérobie, élargir la zone anoxique et prolonger le temps de rétention hydraulique (TRH) dans la zone anoxique, améliorant ainsi la dénitrification.

Dans les processus conventionnels comme AAOL'élimination des TN repose entièrement sur la recirculation. Des normes plus strictes en matière d'effluents exigent des taux d'élimination plus élevés, ce qui entraîne des ratios de recirculation plus importants et, par conséquent, une consommation d'énergie et de produits chimiques plus élevée. Bien que l'AAO puisse respecter les normes de grade 1A, il devient inadapté aux limites plus strictes de TN. BardenphoCe procédé, un système en cinq étapes, surmonte la limitation de la recirculation en ajoutant une zone de post-dénitrification après le procédé AAO, améliorant ainsi considérablement l'élimination de l'azote. Face au durcissement des normes de rejet du Tennessee, Bardenpho a démontré des avantages notables.

 

Le Bardenpho traditionnel, basé sur les boues activées, présente des contraintes liées à la longueur des chaînes de traitement et à l'encombrement important. Par le passé, les exigences en matière d'effluents étant moins strictes, son application était limitée. Cependant, l'introduction de la technologie MBBR permet désormais la mise en œuvre in situ de procédés Bardenpho basés sur le MBBR au sein d'unités de traitement biologique.

 

La mise à niveau avec la technologie MBBR permet la création d'un procédé AAO en ajoutant une zone pré-anoxique, ou d'un procédé Bardenpho en incorporant une zone post-anoxique.

 

Cette étude examine une station d'épuration des eaux usées dans le nord de la Chine, où les procédés AAO et Bardenpho améliorés par MBBR (respectivement appelés MBBR-AAO et MBBR-Bardenpho) ont été mis en œuvre pour des mises à niveau progressives. Une analyse comparative de leurs performances opérationnelles est réalisée afin de fournir des informations pour les futures modernisations des installations.

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Contexte du projet

La première phase de cette station d'épuration a été construite et mise en service en 1997, avec une capacité de traitement de 80 000 m³/j. Elle utilisait le procédé VIP (Virginia Initiate Plant) et était conforme aux normes de rejet secondaire de la norme GB 8978-1996 relative au rejet intégré des eaux usées. Si la qualité réelle des effluents était généralement conforme aux normes de classe 1B de la norme GB 18918-2002, à l'exception des TN et TP, la concentration en NH₄⁺-N dépassait occasionnellement les normes secondaires de la norme GB 8978-1996 pendant l'exploitation hivernale (2 à 3 mois), lorsque la température de l'eau entrante descendait en dessous de 13 °C.

 

En 2010, l'usine a été modernisée afin de répondre aux normes de classe 1A de la norme GB 18918-2002 pour l'azote ammoniacal et la matière organique. Un traitement biologique conventionnel aurait nécessité une augmentation du volume des cuves, mais aucun terrain n'était disponible autour de l'usine et l'espace limité sur place ne permettait une telle extension. Par conséquent, la modernisation s'est concentrée sur l'amélioration de la capacité de traitement des cuves biologiques existantes. Après avoir évalué différentes options, le procédé MBBR a finalement été retenu. La modernisation impliquait :

 

• Augmentation du volume de la zone préanoxique
• Réduction du volume de la zone aérobie
• Ajout de porteurs en suspension dans les zones aérobies partielles pour créer des zones MBBR pour une meilleure élimination des polluants

 

Le flux de processus spécifique est illustré dans Figure 1(a) et (b).

En 2015, d'autres améliorations ont été apportées aux éléments suivants :

 

1. Atteindre une conformité complète aux normes de catégorie 1A tout en conservant le potentiel de répondre aux normes quasi-classe IV des eaux de surface
2. Augmenter la capacité de traitement de 19 % (de 80 000 à 95 000 m³/j) grâce au développement économique régional rapide

 

Les principaux défis comprenaient :

 

1. Des exigences strictes en matière d'effluents exigent des performances de traitement supérieures, en particulier dans les systèmes biologiques
2. Extension de capacité sans terrain disponible pour la construction
3. L'élimination du TN nécessite une efficacité > 82 % - les approches conventionnelles nécessiteraient un taux de recirculation de 500 %, ce qui entraînerait une consommation d'énergie élevée et un gaspillage de sources de carbone dans les zones anoxiques en raison d'un transfert excessif d'OD.

 

• Après évaluation technique, le procédé MBBR-Bardenpho a été adopté. Les modifications comprenaient :
• Conversion d'une partie de la zone aérobie en zones post-anoxiques et post-aérobies pour garantir la conformité TN
• Réduire davantage le volume aérobie tout en élargissant les zones de porteurs suspendus
• Ajout de supports avec une surface spécifique efficace plus élevée pour améliorer l'élimination de l'ammoniac

 

Le schéma de modernisation est illustré dans Figure 1(b) et (c).

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Analyse des performances

Les procédés AAO et Bardenpho, améliorés par MBBR, ont été mis en œuvre par étapes successives dans la même station d'épuration, et les données opérationnelles sur un an ont été analysées pour chaque procédé. La plupart des polluants conventionnels (à l'exception des MES et des TP) étant principalement éliminés dans des bassins biologiques, cette étude s'est concentrée sur l'efficacité d'élimination de la DCO, du NH₄⁺-N et des TN.

 

1 Performances d'élimination de la DCO

La figure 2 illustre l'élimination de la DCO dans les deux procédés. Principales observations :

 

• COD influent:

MBBR-AAO : 821,1 ± 244,9 mg/L

MBBR-Bardenpho : 814,8 ± 414,4 mg/L

• DCO des effluents:

MBBR-AAO : 25,1 ± 6,1 mg/L

MBBR-Bardenpho : 21,1 ± 5,7 mg/L

 

Les deux procédés ont systématiquement satisfait aux normes de classe 1A, avec une conformité occasionnelle aux critères de quasi-classe IV pour les eaux de surface. Le procédé MBBR-Bardenpho a démontré une stabilité supérieure malgré des fluctuations plus importantes de l'affluent, soulignant sa résilience aux chocs de charge organique.

 

Mécanismes:

• Les zones anoxiques/aérobies alternées dans MBBR-Bardenpho ont favorisé le co-métabolisme, améliorant la dégradation des composés organiques complexes (par exemple, les composés polycycliques, les hydrocarbures halogénés).
• Le traitement thermique anoxique prolongé a amélioré l’utilisation des sources de carbone lent.

2 Performances d'élimination de NH₄⁺-N

Comme le montre la figure 3 :

 

• Effluent NH₄⁺-N:

MBBR-AAO : 1,5 ± 0,5 mg/L

MBBR-Bardenpho : 1,1 ± 0,9 mg/L

Les deux ont satisfait aux normes de grade 1A, malgré le fait que MBBR-Bardenpho gère des charges d'azote 1,3 fois plus élevées en raison d'un débit accru et d'un volume aérobie réduit.

 

Comparaisons clés:

• THS aérobie:Réduit de 37 % (13,6 h → 8,6 h) à Bardenpho.
• Capacité de nitrification:

MBBR-AAO : 0,158 kg/(m³·j)

MBBR-Bardenpho : 0,208 kg/(m³j) (+32 %)

 

Avantages du MBBR:

 

• Le biofilm sur les supports a retenu les nitrifiants avec un SRT > 30 jours, permettant un enrichissement à haute efficacité.
• La nitrification médiée par le transporteur est devenue dominante sous des charges à basse température/choc.
• Flexibilité de conception:Élimination de l'ammoniac proportionnelle à la surface effective totale, obtenue par :

(a) Taux de remplissage du support plus élevé

(b) Transporteurs SPR-3 (surface spécifique 800 m²/m³)

③ Performances d'élimination du TN

La figure 4 illustre :

 

• Influence TN:

MBBR-AAO : 73,2 ± 22,0 mg/L

MBBR-Bardenpho : 65,9 ± 30,0 mg/L

 

• Effluent TN:

MBBR-AAO : 20,9 ± 3,8 mg/L (élimination de 71,4 %)

MBBR-Bardenpho : 7,4 ± 2,3 mg/L (élimination de 88,8 %)

 

Limitations du processus:

• AAO: Dépendant de la recirculation (ratio de 350 à 400 %), élimination théorique maximale : 80 %. Atteindre une élimination supérieure à 85 % nécessiterait des coûts énergétiques et de carbone insoutenables.
• Bardenpho:La zone post-anoxique a surmonté les limites de recirculation, augmentant l'élimination de 17,4 % sans augmenter la recirculation.

 

Impact de la conception:

• AAO (3 étapes):Limitée par une seule zone anoxique.
• Bardenpho (5 stades):Une zone post-anoxique supplémentaire a prolongé le temps de dénitrification et l'utilisation du carbone.

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Analyse économique

Utilisation des terres

• Procédé Bardenpho: 0,136 m²/(m³·j⁻¹), 16% plus compactque AAO [0,162 m²/(m³·j⁻¹)].
• Avantage clé:Les systèmes améliorés par MBBR atteignent extension de capacité dans le réservoirsans terrain supplémentaire.
• Nouvelles plantes: MBBR réduit l'empreinte de 80–90 %par rapport aux boues activées conventionnelles (CAS), en particulier dans les conceptions MBBR pures (pas de clarificateurs secondaires/systèmes de retour des boues).

 

Consommation d'énergie

• AAO: 0,338 kWh/m³
• Bardenpho: 0,445 kWh/m³ (+0,107 kWh/m³)
  • Causes:Charges d’azote plus élevées + normes d’effluents plus strictes.
  • Note:Les deux valeurs dépassent les stations d'épuration typiques en raison deDCO entrante élevée (950 mg/L) et TN (80 mg/L), dépassant fréquemment les limites de conception.

 

Utilisation de produits chimiques

• Source de carbone : solution d'acétate de sodium à 25 %, moyenne 15 tonnes/jour.
  • Rapport de dosage (zones pré-/post-anoxiques) : 1:2
  • Ajustements:Le dosage pré-anoxique est interrompu pendant les charges de choc organiques.

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Caractéristiques et applicabilité du processus

Une analyse comparative des processus AAO et Bardenpho améliorés par MBBR est présentée ci-dessous, en se concentrant sur les aspects clés de performance et opérationnels :

1Efficacité du traitement

• Les deux MBBR-AAOet MBBR-Bardenphodémontrer une élimination robuste des polluants.
• Avantage de la suppression du TN:MBBR-Bardenpho excelle en obtenant des effluents TN (ou moins), ce qui le rend adapté aux normes strictes.

 

2 Exigences en matière d'empreinte

• Conception compacte:En tirant parti de la nitrification améliorée du MBBR, les deux procédés réduisent considérablement l'utilisation des terres tout en permettant extension de capacité.
• Compatibilité de modernisation:Les réservoirs existants peuvent être améliorés sans modifications structurelles.

 

③ Contrôle opérationnel

• MBBR-AAO:
  • L'élimination du TN repose sur taux de recirculation élevés, l’augmentation des coûts de l’énergie.
  • Difficile de régler précisément pour une élimination optimale du TN.

 

• MBBR-Bardenpho:
  • Ajuste la recirculation interne en fonction de DBO influent, réduisant les débits.
  • Zone post-anoxiquepermet un contrôle TN précis viadosage du carbone, améliorant la flexibilité opérationnelle.

Lignes directrices pour la sélection des processus
Critères	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Critères	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Configuration	3 étapes (processus plus court)	5 étapes (processus prolongé)
Élimination de l'ammoniac	Excellent	Excellent
Suppression du TN	Modéré (nécessite une recirculation élevée)	Supérieur (par dénitrification post-anoxique)
Demande énergétique	Plus élevé (dépendant de la recirculation)	Inférieur (recirculation optimisée)
Idéal pour	Normes de niveau 1A	Niveau 1A ouplus strict(par exemple, quasi-classe IV)
	Influent de force moyenne	Exigences élevées en matière d'élimination du TN

Points clés à retenir:

• MBBR-AAO:Fonctionnement plus simple, adapté à conformité conventionnelle de grade 1A.
• MBBR-Bardenpho:Préféré pour cibles à très faible TN, offrant une précision de dosage contrôlée.

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Conclusions

1. Mises à niveau basées sur MBBR:

• Les deux MBBR-AAOet MBBR-Bardenpholes processus atteignent la stabilité Élimination de NH₄⁺-N et de la DCO, réunion Niveau 1Aet même normes relatives aux eaux de surface quasi-classe IV.
• Capacité de nitrification:
  • MBBR-AAO : 158 kg/(m³·j)
  • MBBR-Bardenpho : 208 kg/(m³·j) (32 % de plus)
• MBBR-Bardenphodémontre stabilité supérieure des effluentset résistance aux chocs.

 

2. Supériorité de l'élimination du MBBR-Bardenpho par TN:

• Assure effluent TN via amélioration de la zone post-anoxique, atteindre 8 % d'élimination du TNau stade biologique.

 

3. Aperçu de la communauté microbienne:

• Biofilm sur supports: Enrichit les bactéries nitrifiantes (> 10 % d'abondance relative), assurant une nitrification stable.
• boues activées:Héberge une abondance plus élevée de dénitrifiants, permettant une élimination efficace du TN.
• Synergie:Les transporteurs et les boues assurent conjointement Conformité NH₄⁺-N et TN.

 

4. Applicabilité du processus:

• MBBR-AAO:
  • Rénovations compactes, mais Suppression limitée du TNpar dépendance à la recirculation.
  • Idéal pourConformité de grade 1Aavec influent de force moyenne.
• MBBR-Bardenpho:
  • Efficacité foncièreavec suppression TN inégalée.
  • Idéal pour normes quasi-classe IV/+et influent à haute teneur en azote.