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Développement d'une nouvelle approche d'enlèvement de l'azote amoniacal des eaux usées domestiques

Petit, David (2012). Développement d'une nouvelle approche d'enlèvement de l'azote amoniacal des eaux usées domestiques. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les préoccupations concernant les rejets d’effluents contenant de l’azote ammoniacal sont croissantes. En effet, les discussions et lignes directrices sur ces rejets s'accentuent de la part des décideurs canadiens et québécois. Bien qu’il existe différentes méthodes biologiques d’enlèvement de l’azote ammoniacal, peu d’entre elles sont efficaces dans des conditions d’eau usées froides tel que rencontrées au Québec. Du côté des méthodes physico-chimiques, elles présentent différents inconvénients dont la consommation de réactifs.

Dans cette perspective, le présent projet de recherche vise à étudier une nouvelle configuration de système de traitement décentralisé destiné au secteur résidentiel (système de traitement secondaire avancé) permettant l’enlèvement de l’azote ammoniacal des eaux. Le système devrait satisfaire les exigences de classification de système de traitement secondaire avancé afin de répondre à un réel besoin du marché. Pour ce faire, quatre unités pilotes conçus sous le principe d'un filtre granulaire percolateur ont été construites et alimentées par une eau usée synthétique. Le recours à une résine naturelle échangeuse d’ions (zéolite) est considéré. Le procédé consiste au captage et à la fixation des ions ammonium en régime continu sur la zéolite. En parallèle, les bactéries autotrophes fixées sur le média assurent la nitrification biologique tout en favorisant la biorégénération du média. Afin d'interpréter les différents phénomènes en jeu, une des quatre unités pilotes est composée exclusivement de pierre granitique servant d'unité témoin à l'étude. Les retombées envisagées de ce proposé de recherche sont : (a) minimiser les risques de toxicité chronique et aiguë due à la présence de composés azotés dans les cours d'eaux; (b) développer un système fiable de traitement secondaire avancé décentralisé d'enlèvement d'azote ammoniacal. Les paramètres suivis en laboratoire sont l’azote ammoniacal (NH4+), les nitrites (NO2-) et nitrates (NO3-), la demande chimique en oxygène (DCO), la demande biochimique en oxygène (DBO), les matières en suspension (MES), l’alcalinité, le pH, la température et l’oxygène dissous (O2).

Les résultats de ce projet suggèrent que les variations du débit surfacique journalier appliqué sur les filtres percolateurs influencent les phénomènes de nitrification et de fixation de l'azote ammoniacal sur la zéolite. En effet, pour des débits de 14,8 à 51,5 L/(m²d), le filtre assure la nitrification selon un pourcentage moyen de 63 % de la charge à l'affluent. Par la suite, pour des débits de 42 à 114 L/(m²d), la fixation prend le relais sur la nitrification pour une moyenne de 49 % de la charge d'entrée et finalement lorsque le débit surfacique journalier est supérieur à 100 L/(m²d), le filtre laisse passer davantage d'azote ammoniacal qu'il nitrifie ou bien qu'il adsorbe. Par ailleurs, on constate que le filtre offre de meilleures performances (nitrification et/ou fixation) sur les 15 premiers centimètres de zéolite. En effet, sur 183 jours d'opération en continue des filtres, on enregistre un abattement moyen de 72 % de la charge d'azote ammoniacal sur cette épaisseur. Concernant la matière organique (DBO5), pour une concentration moyenne de 62 mg-O2/L, les filtres dégradent entièrement cette portion dès la troisième semaine d'opération. La zéolite offre de meilleurs rendements que la pierre granitique. Un gain moyen de 25 % pour l’abattement de la DBO5 est observé pour les 118 premiers jours d'opération. L'ensemble de la campagne expérimentale s'est déroulée à des températures oscillant entre 9 à 16°C. Aucun écart de température n'est observé entre la zéolite et le granite. Finalement, l'alcalinité, le pH, et l'oxygène dissous n'ont pas été des facteurs limitant dans le cadre de l’étude.

Résumé traduit

Concerns discharges containing high concentrations of ammonia are increasing. Indeed, discussions and guidelines on these releases are accentuated by the decision makers in Canada and Quebec. Although, there are different biological methods to remove ammonia nitrogen, few of them are effective in cold wastewater as encountered in Quebec. In terms of physicochemical methods, there are various disadvantages, including reagents consumption, among others.

In this perspective, this research project aims to study a new decentralized treatment configuration for the residential sector (advanced secondary treatment system) allowing ammonia nitrogen removal in water. The system should meet the classification requirements of advanced secondary treatment system to meet up a real market need. To do so, four pilot units designed under the principles of a trickling filter have been built and powered by a synthetic wastewater. The use of a natural zeolite as an ion exchange resin is considered. The process is to capture and fasten ammonium ions in continuous operation mode on the zeolite. In parallel, the autotrophic bacteria attached to the media provide biological nitrification while favoring media bioregeneration. To interpret these phenomena involved, one of the four units is composed exclusively of granite stone used as the control unit of the study. The considered benefits of this research are: a) minimize risks of acute and chronic toxicity because of nitrogen compounds presence in streams; b) develop a reliable advanced secondary treatment decentralized for ammonia nitrogen removal. Parameters monitored in laboratory are ammonium nitrogen (NH4 +), pH, nitrite (NO2 -) and nitrate (NO3 -), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD), total suspended solids (TSS), alkalinity, temperature and dissolved oxygen (O2).

Results of this project suggest that variations in daily surface flow applied to zeolite filters influence nitrification and ammonia fixation on the media. Indeed, flow rates from 14,8 to 51,5 L / (m2/d) ensure nitrification as an average percentage of 63% of influent load. Subsequently, for flow rates from 42 to 114 L / (m2/d), fixing takes over on nitrification for an average of 49% of entry head and finally when the daily surface flow is greater than 100 L / (m2/d), the filter is allowing more ammonia than it nitrified or adsorbs. Moreover, we see that the filter provides better performance (nitrification and/or fixation) on the zeolite first 15 cm. Indeed, over 183 days of filters continuous operation, there has been a 72% average reduction of ammonia nitrogen load on this thickness. Regarding organic matter (DBO5), for an average concentration of 62 mg-O2/L, filters degrade completely this portion from the third week of operation. Zeolite offers better efficiency than the granite stone. An average gain of 25% (for BOD5) is observed for the first 118 days of operation. The entire experimental campaign was conducted at temperatures ranging from 9 to 16 °C. No temperature difference is observed between zeolite and granite. Finally, alkalinity, pH, and dissolved oxygen were not limiting factors in this study.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie concentration génie de l'environnement." Bibliogr. : f. [91]-97.
Mots-clés libres: Azote ammoniacal. Eaux usées ménagères. Eaux usées - Épuration - Dénitrification. Nitrification. adsorption, zéolite, traitement, technologie, fixation, clinoptilolite, filtre.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Monette, Frédéric
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 09 nov. 2012 21:30
Dernière modification: 07 mars 2017 20:26
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1085

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