Couplage de la dénitrification autotrophe sur soufre aux systèmes de traitement biologique des eaux usées domestiques applicables au secteur de l’assainissement décentralisé.

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF. Premier Tech Aqua (PTA), dont le siège social est situé à Rivière-du-Loup, est l’une des unités d’affaires que compte Premier Tech Technologies Ltée. PTA est considérée comme leader international des technologies d’assainissement autonome et décentralisé des eaux usées destinées aux petites et moyennes collectivités, aux entreprises et aux industries. Cette compagnie développe et commercialise depuis plus de 20 ans divers procédés biologiques d’épuration adaptés au traitement des eaux usées résiduaires des résidences isolées et des petites et moyennes collectivités. Ces procédés permettent de réduire en moyenne de 50 à 60% la teneur en azote retrouvée dans les eaux domestiques. Cependant, l’effluent final contient des teneurs encore élevées en azote, principalement sous forme de nitrates. De plus, la mise en vigueur de règlementations de plus en plus strictes en ce qui concerne les rejets d’éléments nutritifs tels que l’azote, fait en sorte que de nouvelles générations plus performantes de procédés de traitement doivent être développées. L’insertion, en aval de ces procédés, d’une étape de dénitrification biologique constitue probablement la meilleure option technologique pour une élimination accrue de l’azote présent dans l’effluent rejeté au milieu récepteur. Il existe deux voies possibles de dénitrification biologique, soit la dénitrification hétérotrophe, soit la dénitrification autotrophe. Étant donné que les teneurs en matière organique dans les effluents de la plupart des procédés de PTA sont très faibles, la dénitrification hétérotrophe représenterait des inconvénients notables étant donné qu’elle nécessiterait un apport exogène d’un substrat carboné. De plus, son opération nécessite un suivi supplémentaire et sa mise en place demande une maintenance rigoureuse pour garantir la performance du système de dénitrification Afin d’esquiver ces problèmes, le présent projet a donc porté sur l’étude de la performance de la dénitrification autotrophe sur soufre élémentaire. En effet, cette méthode nécessite un substrat inorganique oxydable, qui peut être le soufre. Ce substrat peut être employé sous forme solide et servir à la fois d’une source d’énergie et de support bactérien aux microorganismes. La principale attention qu’il fallait porter à cette méthode a été l’acidification du milieu représentée par une diminution du pH et de l’alcalinité, qui résulte de la production d’ions H+ et de la consommation de bicarbonates. Pour prévenir une telle situation pouvant affecter l’efficacité de la dénitrification, l’intégration du calcaire granulaire en tant que substrat tampon dans le procédé de traitement a été recommandée. Le choix de l’agent neutralisant en question a été fait en raison de son faible coût et de sa faible solubilité. De plus, le calcaire est rapidement accessible et facile à manipuler. Le calcaire granulaire a été fréquemment utilisé dans la dénitrification autotrophe sur soufre comme source passive d’ajout de carbonates permettant la neutralisation de l’acidité générée. \nL’objectif principal de ce projet de recherche a été la mise à l’essai d’une dénitrification autotrophe en aval d’un traitement secondaire en applications résidentielles. L’efficacité de dénitrification visée a été de maintenir une teneur résiduelle en nitrates en-dessous de 5 mg NO3-N/L. Le système de dénitrification développé doit répondre à certaines exigences d’un point de vue capacité de traitement journalière, économie des coûts et facilité d’opération. \nLes travaux réalisés au cours de ce projet de doctorat ont eu pour objectif la détermination à l’échelle laboratoire de conditions opératoires optimales permettant le développement d’une unité de dénitrification sur soufre et calcaire à l’échelle pré-commerciale en vue de sa validation à l’échelle commerciale. L’évaluation de la performance des essais de dénitrification s’est basée essentiellement sur le suivi du taux d’enlèvement des nitrates. Toutefois, d’autres paramètres ont été étudiés dont le pH, la température, l’oxygène dissous, le potentiel d’oxydo-réduction, l’alcalinité, la dureté, l’azote dissous, le carbone organique dissous, le phosphore dissous et les sulfates. \nLa première étape de ce projet a été d’étudier l’influence de différents milieux de culture (présence d’inoculum ou de calcaire, nature de la source de soufre (soufre élémentaire et/ou thiosulfate)) sur le développement de la biomasse dénitrifiante dans le but d’identifier les conditions les plus favorables au développement des bactéries, les Thiobacillus denitrificans, et de rassembler toutes les informations nécessaires au bon démarrage du processus de dénitrification d’un point de vue rapidité de fonctionnement. Il a donc été démontré qu’un milieu de culture gardé à l’obscurité et formé d’eau usée nitrifiée, de soufre élémentaire et de calcaire granulaire est fortement favorable à un développement rapide et efficace de la microflore dénitrifiante. Ces conditions demeurent les plus sécuritaires pour prévenir la diminution du pH et maintenir ce dernier dans les conditions optimales de croissance des bactéries dénitrifiantes, tout en assurant une dénitrification quasi-totale (84%) en 14 jours ou une éventuelle dénitrification totale (100%) en 21 jours. \nEnsuite, des essais de dénitrification en colonne ont été réalisés en mode bath, puis en mode continu. Les conditions opératoires (temps de rétention hydraulique, ratio massique S/C et configuration soufre/calcaire) les mieux adaptées au système de dénitrification ont pu être définies. Pour cela, différents TRH variant de 0,5 à 11h ont été testés, en débutant par le plus long TRH afin d’acclimater le système au mode continu. Les résultats obtenus ont montré qu’un TRH de 1,5 h est optimal dans la mesure où le système a permis un abattement des nitrates de 50% en 2 jours seulement et un abattement total en 6 jours, tout en gardant le pH et l’alcalinité de l’effluent relativement stables par rapport aux conditions initiales. \nEn effectuant des essais complémentaires au TRH optimal de 1,5 h et avec différents ratios massiques S/C (9/1, 4/1, 7/3, 3/2 et 1/1) selon une configuration de soufre et de calcaire mélangés, le ratio massique S/C de 1/1 a été considéré comme étant le ratio S/C optimal, permettant un enlèvement total (100%) des nitrates dès le premier jour de fonctionnement. \nD’un autre côté, trois configurations soufre/calcaire (séparés, mélangés et en couches superposées) ont été testées avec le TRH optimal de 1,5 h et le ratio optimal S/C de 1/1. Les différentes configurations ont montré des comportements similaires du point de vue efficacité de dénitrification avec des rendements d’enlèvement des nitrates supérieurs à 96%. Cependant, l’effet de neutralisation du calcaire semble plus efficace lorsque les matériaux sont placés dans une même colonne. Par conséquent, d’un point de vue faisabilité et facilité de mise en place, la configuration du soufre et du calcaire mélangés a été jugée optimale pour une application à l’échelle pilote du procédé de dénitrification autotrophe sur soufre et calcaire (DASC). L’étude de l’effet de la concentration initiale en nitrates dans l’affluent (10 à 60 mg NO3-N/L) sur l’efficacité de dénitrification a mis en évidence que dans des conditions opératoires optimales de TRH et de ratio S/C, l’enlèvement des nitrates a été total (100%) au bout de 2 jours de fonctionnement et ce, pour des charges volumiques appliquées entre 160 et 960 g NO3-N/m3.jr. \nEn considérant les paramètres opératoires optimisés à l’échelle laboratoire et les exigences de la compagnie PTA en terme de capacité journalière de traitement (1 000 à 1 500 L/jr) et des critères de dimensionnement du bioréacteur de dénitrification autotrophe (BDA) pilote, une unité de dénitrification autotrophe sur soufre et calcaire pré-commerciale a été installée en aval du procédé Filtre Coco PTA. Le BDA pilote a montré des performances de dénitrification similaires à celles obtenues à l’échelle laboratoire, avec des rendements de dénitrification supérieurs à 81% pour des charges volumiques appliquées comprises entre 90 et 680 g NO3-N/m3.jr. En dépit de la baisse des températures (< 5°C), la performance du BDA est restée satisfaisante, avec des taux d’enlèvement des nitrates dépassant 61% et des teneurs résiduelles en nitrates inférieures à 6 mg NO3-N/L. Malgré une légère perte d’efficacité causée par une perte de charge hydraulique, des performances non égalées jusqu’à ce jour dans la littérature ont été mises en évidence, comme par exemple l’inutilité d’une opération préliminaire d’inoculation et d’une étape d’acclimatation en mode batch. En effet, une efficacité de dénitrification importante a été observée au 6ième jour de fonctionnement en mode continu, avec un enlèvement total des nitrates. The symbols and special characters used in the original abstract could not be transcribed due to technical problems. Please use the PDF version to read the abstract. Premier Tech Aqua, located in Rivière-du-Loup (Qc, Canada), is one of the business units of Premier Tech Technologies Ltée. PTA is an international leader in the field of on-site and decentralized wastewater treatment systems designed for the residential, commercial, community and industrial sectors. For over 20 years, this company is developing and offering various biological purification systems for the treatment of wastewaters coming from small and medium communities. These processes allowed the removal of approximately 50 - 60% of the nitrogen content initially present in domestic wastewaters. However, the effluent still contains large amounts of nitrogen, mainly as nitrates.

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