2. Essai pilote de biologie des membranes

Grâce à une installation pilote BioMem® de HUBER, les eaux usées, les caractéristiques de décomposition et l'adéquation générale du procédé d'aération membranaire pour ces eaux usées furent testées. Au cœur de cette installation se trouve la technologie de traitement biologique avec membranes, un bassin combiné dans lequel ont lieu quasiment simultanément la décomposition biologique des polluants et la filtration membranaire avec des modules UF. Une soufflerie, des pompes et l'installation de la commande sont affectées à ces chambres, afin de pouvoir exploiter entièrement automatiquement toute l'installation. La technique d'installation permet de tester différentes variantes de dénitrification grâce à un mode opératoire intelligent de l'alimentation. Tous les paramètres de service sont enregistrés par l'installation de la commande, les paramètres chimiques ont été analysés par le laboratoire d'analyses de l'entreprise.

L'installation d'essai a été mise en place fin 2015 et mise en service en avril 2016 après une courte phase d'adaptation. En collaboration avec l'exploitant et le concepteur, des bilans analytiques furent organisés afin d'analyser les résultats intermédiaires et les ajustements à effectuer pendant la phase d'essai.

Les eaux usées furent d'abord stockées dans un petit bassin intermédiaire, car la composition réelle ultérieure des eaux usées y serait plus représentative. De plus, tous les composants de l'installation furent isolés et chauffés afin d'éviter qu'ils ne gèlent en hiver. Pour prélever des échantillons mixtes dans le bassin intermédiaire et l'évacuation, des échantilloneurs automatiques furent installés. En raison des valeurs de Demande Chimique en Oxygène, peu élevées par rapport à l'azote, le lactosérum résiduel a été mélangé dans l'admission, afin de permettre une décomposition complète de l'azote pendant la phase de dénitrification. Parallèlement, un dosage régulier de soude caustique permit de maintenir les valeurs du pH dans une zone neutre – une condition préalable pour la décomposition biologique des polluants et la structure stable des boues dans une biologie des membranes.

Dégradation de la DCO
Les concentrations d'admission de DCO étaient entre 20 et 200 mg/l, d'une part très fluctuantes, mais également en général très basses afin de garantir le métabolisme de base des micro-organismes ainsi que la dénitrification. De ce fait, du lactosérum résiduel disponible avec une DCO d'environ 30 000 à 40 000 mg/l ou un semi-concentrat de lactosérum d'environ 60 000 à 80 000 mg/l fut ajouté en tant que source de dioxyde de carbone externe. La marge en DCO dans l'évacuation de l'installation était à quelques exceptions près stable en dessous de 10 mg/l et restait ainsi bien inférieure aux valeurs limites de l'évacuation pour l'introduction directe ou pour une infiltration.

Dégradation du phosphate
Les concentrations totales de phosphate se trouvaient entre 5 et 20 mg/l dans l'admission ; les concentrations de l'évacuation étaient en partie supérieures aux concentrations de l'admission, probablement en raison du phosphate ajouté au lactosérum. De plus, la biocénose correspondante s'est développée pendant l'essai de fonctionnement et s'est adaptée aux eaux usées. À la fin de l'essai de fonctionnement, les valeurs de rejet totales de phosphate restaient durablement inférieures à 1 mg/l. Néanmoins, une précipitation simultanée devrait être prévue en cas d'installation permanente et les exigences valables relatives aux valeurs de rejet devraient pouvoir être respectées avec fiabilité.

Transformation et dégradation de l'azote
Après une courte phase de fonctionnement seulement, l'azote ammoniacal s'est transformé en azote nitrique, ce qui signifie que l'azote ammoniacal, qui est toxique, est entièrement dégradé et transformé en nitrate (nitrification). Une quantité suffisante de conditions anoxiques et la présence de carbone sont nécessaires à la dégradation de l'azote nitrique (dénitrification). Cette dégradation n'a eu lieu qu'après l'adaptation de l'ensemble du système et au bout d'un certain temps de fonctionnement. Les valeurs totales d'azote étaient alors inférieure à 10 mg/l et ainsi, inférieures aux exigences de rejet typiques.
Après une phase d'essai d'environ deux mois, une détérioration de la dégradation d'azote se produisit, avec une absence simultanée d'azote nitrique, ce qui était apparemment dû à une durée de ventilation insuffisante et en général à une biologie instable.

Conclusion de l'essai pilote
Les missions à réaliser étaient d'une part de vérifier le fonctionnement d'une technologie membranaire avec le BioMem® de HUBER, et d'autre part de valider les capacités de réduction au regard des flux d'azote issus du traitement du lactosérum de la laiterie Jäger. De très bonnes valeurs de rejet purent ici être obtenues pour tous les paramètres de référence, en partie très inférieures aux exigences typiques pour des dispositifs de rejet de cette classe. Les variations des capacités de dégradation tenaient d'une part aux différences de composition des eaux usées, et d'autre part aux brèves pannes fonctionnelles du système (p. ex., alimentation insuffisante en oxygène). Dans une installation technique de grande taille, les concentrations d'admission variables ainsi que les variations fonctionnelles devraient être nettement inférieures, et pour ce faire – comme d'habitude – un grand bassin de mélange et de compensation devrait être érigé à cet effet. Cela permet d'obtenir une charge uniforme sur le traitement biologique ainsi que des valeurs de rejet constante, et une stabilité fonctionnelle élevée.
Une régulation automatisée de la valeur du pH pour définir une valeur de pH optimale entraîne également une amélioration de la stabilité fonctionnelle générale. Le dosage de lactosérum en tant que source de dioxyde de carbone externe est indispensable, afin de garantir une alimentation suffisante des micro-organismes et avant tout une dénitrification suffisante.

3. Solution proposée

Les résultats de l'essai pilote et de l'expérience du bureau d'ingénieurs avec les eaux usées issues de l'industrie de transformation du lait permirent de démarrer la mise en œuvre du nouveau concept d'évacuation des eaux. L'espace disponible extrêmement réduit de la laiterie Jäger, ainsi que les exigences de rejet définies avec la commune furent tout particulièrement prises en compte.

La priorité n'était pas de renoncer complètement à une évacuation dans les canalisations et de traiter entièrement indépendamment les eaux usées, mais d'élaborer un concept global en accord avec la commune et en tenant compte des exigences de l'installation d'épuration communale. L'idée était de se limiter au traitement complet des eaux usées susmentionnées issues des condensats d'évaporation et des perméats de lactosérum et de les évacuer directement, pendant que le reste des eaux usées de la production seraient en revanche soumis à un prétraitement physico-chimique avant d'être évacué dans le réseau de canalisations publiques.

Ce concept présente l'avantage de traiter la totalité des eaux usées particulièrement riches en azote sur le site de l'entreprise, tout en continuant à évacuer les eaux usées de production nécessaires au taux de remplissage de l'installation d'épuration. En outre, il est possible en cas d'urgence d'évacuer la totalité des eaux usées dans le réseau de canalisation.

4. Concept global et mise en œuvre

La laiterie Jäger GmbH produit deux types d'eaux usées différentes pour lesquels différents concepts de traitement ont été prévus. Il s'agit d'une part d'eaux usées de production typiques et classiques issues de la fabrication du fromage, riches en graisses, substances solides et DCO, qui sont d'abord collectées dans un conteneur de 165 m³. Un agitateur installé garantit un mélange et une homogénéisation très efficaces et ainsi, une charge homogène sur l'installation d'épuration en aval. Elle est dotée d'une flottation par baisse de pression HDF S 20 de HUBER. La flottation en amont est le traitement des eaux usées avec floculateur à tubes, dosage associé et introduction d'agents de précipitation, de floculants, ainsi que d'acide, de solution alcaline et d'agent antimousse selon la qualité des eaux usées. Le mélange d'eaux usées / de boues ainsi traité est mélangé dans la flottation avec le retour des eaux claires saturées d'air et à faible tension superficielle ; les fines bulles d'air générées et les substances solides se dirigent vers le haut et ainsi, forment un tapis de boues pré-concentré à la surface du réservoir. Les eaux usées quasiment exemptes de substances solides s'écoulent dans l'évacuation par les déflecteurs. Le tapis de boues est extrait à l'aide d'un système de raclage de surface et déversé dans l'évacuation des boues de la flottation. Les boues flottantes sont évacuées dans le réservoir des boues humides.

Le second flux d'eaux usées provient de la condensation des vapeurs de séchage ainsi que de l'épaississement et de la concentration du lactosérum (les perméats de lactosérum). Ces eaux usées sont relativement pauvres en substances solides et en DCO, mais leur teneur en azote est proportionnellement relativement élevée. Cet azote, mais également la DCO contenue, est traité par une technologie membranaire à deux voies, et le lactosérum résiduel est évacué pour une dénitrification efficace et en raison de la faible teneur en DCO. Une quantité maximale de 80 m³/h d'eaux usées épurées est évacuée et déversée dans un petit collecteur à l'aide de deux filtrations membranaires VRM® 30/18 RF de HUBER. Pour réduire la formation de dépôts des membranes UF, ils sont régulièrement éliminés par rinçage inverse de la seconde voie avec le perméat, de temps en temps à l'aide de produits de nettoyage.

L'excédent de boues est éliminé de la biologie et évacué vers l'épaississement mécanique des boues. Pour ce faire, les boues sont déplacées avec le polymère, transmises à l'épaississeur à disques S-DISC de HUBER, puis y sont épaissies gravitairement et stockées dans un réservoir de boues humides pour un prélèvement régulier.

Pour des raisons d'encombrement, l'ensemble de l'installation est entièrement souterrain et complètement verrouillé. Un parking pour les employés a été édifié sur le toit d'une partie de l'installation. Tout l'air extrait est évacué par un biofiltre afin de limiter au minimum les odeurs désagréables pour les voisins.

La laiterie Jäger a réalisé et automatisé l'ensemble de la technique de commande et le système de contrôle de processus de manière autonome selon ses propres standards. Pour une régulation optimale des ajouts de produits chimiques dans la flottation par baisse de pression, une commande de dosage de produits chimiques en fonction de la turbidité a été installée. La consommation de produits chimiques – contrairement à une régulation pure du volume – doit être ajustée au besoin en fonction de la situation d'admission réelle.

En biologie, une sonde combinée ammonium / nitrate est utilisée afin de commander de manière optimale les temps de nitrification et de dénitrification. En raison des fortes fluctuations de la composition de l'admission, les phases sont régulées au besoin.

L'ensemble de la technique d'installation a été mise en service à l'automne 2017, et, après une marche d'introduction et d'optimisation, l'installation est à présent en service depuis mi-2018.

5. Résultats opérationnels précédents

Dès octobre 2017, la flottation par baisse de pression HDF S de HUBER fut mise en service et depuis, elle épure les eaux usées de production, avant de les déverser dans le réseau d’assainissement. Les échantillons mixtes quotidiens analysés par le personnel du laboratoire de la laiterie ont vérifié et validé la réduction requise de la valeur DCO de 50 %.

Pour éviter un surdosage inutile de du polymère, le nouveau système DigitDose de HUBER,HUBER – un dosage de produits chimiques en fonction de la charge – fut installé pour la première fois et calibré au cours d'une période d'ajustement de trois semaines en fonction des caractéristiques des eaux usées. Cela est nécessaire, car les eaux usées issues de diverses industries ont toujours des colorations, turbidités et conductivités différentes, ce qui implique un calibrage adapté à l'installation et à l'application.

Dans le cas de la laiterie Jäger, la concentration d'admission de DCO varie entre 1500 mg/l et 8000 mg/l. Les valeurs élevées ont été particulièrement mises en évidence par ces mesures pour la première fois et ont également conduit à des ajustements du processus de production. La commande de polymère a permis de réduire d'env. 10 % les valeurs de consommation typiques dès la première phase de fonctionnement. Outre l'optimisation de la consommation de polymère, d'autres ajustements furent effectués sur la flottation. Ainsi, p. ex., l'intervalle de raclage du racleur de boues flottantes augmente, car les boues flottantes sont déjà épaissies dans la machine à quasiment 15 % de matières sèches, ce qui est problématique pour le transport ultérieur dans le réservoir de boues flottantes.

Fin 2017, la mise en service de la technologie membranaire a été effectuée pour le traitement des condensats d'évaporation et des perméats de lactosérum. Pour la commande de la nitrification, la valeur a été définie sur automatisation élevée ici aussi, et entre autres, une sonde ammonium-nitrate est utilisée pour la commande de la nitrification et de la dénitrification. Ici également, une optimisation et un ajustement du fonctionnement en fonction des caractéristiques des eaux usées ont été effectués pendant plusieurs mois. L'image 7 représente une petite partie du système de contrôle de processus.