ArticleApproche pour l'identification des causes de la mauvaise dcantation des solides biologiques B. Blanchard, R. Desjardins, F. G. Brire et Y. BlandRevue des sciences de l'eau/ Journal of Water Science, vol. 3, n 3, 1990, p. 241-260.

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REVUE DES SCIENCES DE L'EAU, 3(1990) 241-260

Approche pour l'identification des causes de la mauvaise dcantation des solides biologiquesFew hints to identify causes of biological solids settling problems

B. BLANCHARD\ R. DESJARDINS2*. F. G. BRIRE2, Y. BLAND3

RSUM Les procds d'puration biologique culture libre (boues actives) comprennent habituellement un dcanteur qui permet de concentrer les solides biologiques en vue de leur recirculation en tte du racteur biologique. Lorsque ce dcanteur fonctionne mal on observe une perte de solides biologiques (SB), ce qui se traduit par une augmentation de la concentration des matires en suspension (MES) dans l'effluent du dcanteur secondaire et par une baisse des performances du procd d'puration. Lorsque la concentration de MES dans l'effluent du dcanteur secondaire est trop leve on mesure l'indice de volume des boues (IVB). Un IVB faible indique que les solides biologiques ont de bonnes caractristiques de dcantation de sorte que la cause de la mauvaise efficacit du dcanteur est d'ordre physique et peut tre identifie facilement. Lorsque l'IVB est lev, la mauvaise dcantation est alors cause par un dsordre de l'cosystme qui se traduit le plus souvent par une croissance excessive d'organismes filamenteux. Les causes et les solutions d'un tel problme sont alors difficiles identifier. Pour ce travail, les auteurs ont ralis une importante revue bibliographique dont les rsultats sont prsents sous la forme d'un cheminement critique (fig. 1). Dans cette figure, les cases numrotes de 1 48 sont fies par des noncs logiques. Ainsi, en rpondant des questions simples, il est possible de cheminer dans la figure 1 et d'identifier les causes les plus probables du dsquilibre microblologlque ainsi que les solutions qui ont dj t apportes avec succs. De plus les auteurs ont associ chaque case une fiche technique (portant le mme numro que la case) sur laquelle sont prsentes des explications et la liste des rfrences consultes. Mots cls : Boues actives, microorganismes filamenteux, foisonnement dcantation, sdimentation. 1. Associe professionnelle de recherche, cole Polytechnique de Montral, gnie civil, CP6079, Succursale * A , Montral (Qubec), Canada, H3C3A7. 2. Professeur, cole Polytechnique de Montral, gnie civil, CP 6079, Succursale A -, Montral (Qubec), Canada, H3C 3A7. 3. Ingnieur, Environnement Qubec Assainissement urbain, 5199 me Sheitrooke Est, Ed. A Bureau 4800, Mon tral (Qubec), Canada H1T 3X9.

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B. Blanchard

SUMMARY Activated sludge is a microbiological aerated sewage treatment process which inciudes a secondary clarifier to separate the treated efHuent from the biological solids. Part of the concentra te d solids is reclrculated to maintain an adquate concentration of mixed liquor suspended solids (MLSS) In the aerated basin. When the secondary clarifier malfunctions, some blological solids are lost to the effluent : the process efficiency drops and the concentration of suspended solids (SS) increases. When the SS in ttie effluent is too high the sludge volume index (SVI) must be measured. A low SVI means that the blological solids hve good sdimentation characteristics : the problem is then physical in nature and is easily identilied. When the SVI is high, the problem is due to a disturbance of the microbiological ecosystem, which is at the origin of excessive filamentous organism growth. The origins and solutions of such a problem are much barder to find. To this end the authors proceeded with an important review of the literature, the results of which are summarized through a critical path, in figure 1 . Files from 1 to 48 are linked by logical statements In such a way that by answering simple questions, one can proceed through the files and identify the most probable cause of the biological disturbance as well as the solution which h as already proven sucessful. Furthermore, the authors hve linked each file to a technlcal file which bears the same number and on which an explanatlon and rfrences are found. Betore proceeding with figure 1 to identify a problem in real life, one must obtain information, resulting from an analysis and observations, with regard to plant effluent, primary clarifier effluent and activated sludge characteristics, including the MLSS concentration. One must also know the chemical oxygen demand (COD), the soluble and total falochemical oxygen demand (B0D 5 ), as well as the nitrogen and phosphorus concentrations in the plant influent. Furthermore, one must also be told of the prsence of toxic material or industrlal wastes In the sewage and of the fraction of pollution load which is in the form of partlculates. Whether sudden changes In the quality of the plant influent hve occured is worth knowing. The concentration of oxygen or hydrogen sullide in the primary clarifier Is also important. One must also gather data related to the activated sludge treatment itself : type of reactor (completely mixed or plug flow), mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS) concentration, dissolved oxygen concentration, rate of oxygen uptake and pH. Flnally, the results of a microbiological analysis of the sludge are very useful. To lllustrate the use of figure 1 , let us say that we hve the following data : a) Many filamentous microorganisms are prsent in the MLSS, in particular Microthrix parvicella, type 0092, and Thiothrixsp; b) The rate of dissolved oxygen uptake is 12 mg 02/g of SS - h ; c) The rate of COD removal is 0,48 Kg/Kg of SS - d ; d) There are no toxic substances In the plant influent ; e) There are no abrupt changes in plant influent quality ; I) The pHs of the plant influent and of the MLSS are 7,0 and 6,8 respectively ; g) The ammonia nitrogen concentration of the plant Influent is 1,2 mg/L (N) ; h) The phosphorus concentration of the plant influent is 4,4 mg/L (P) ; i) The total and soluble B0D5 concentrations of the plant influent are 400 and 80 mg/L respectively. With this information, we are ready to proceed through figure 1 . From file one, one goes to file 2, since the rate of oxygen uptake is sufficient. Otherwise, we would hve proceeded to file 32. The reactor being completely mixed, the next step is file 3, where it Is said that, because of the low soluble B0D5 concentration one must go to file 9, where we find a list of filamentous microorganisms which may be responsible for the disturbance. Since two of thse microorganisms are effectively prsent in the mixed liquor suspended solids (MLSS), Microthrox parvicella and type 0092, we are invited to go to file 35,

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where it is stated that someone lias already solved a similar problem by creatfng a modified contact zone to inerease the substrate {organic matter) concentration around the microbiologlcal flocs. The thlrd filamentous mieroorganism Is not identified in file 9. As a second possibilit one may assume, in file 2, that the mixing is not complte, which is often the case. Witfi the tielp of information and rsulte of analyses already available, we proceed, through file 4, 14,15 and 16, to file 20 where Thiothrixsp is included in the mfcroorganisms M sied. Rie 20 is linked to file 41, where it is said that the controlled addition of nitrogen fn the plant influent has already been used to solve this type of problem. The critical paih presented in this article is the resuit of an elaborate study. It may be used as a tool to Identlfy the causes of bad biological flocs sdimentation in the secondai? clarifier and slect solutions that hve already been used successfully. Key words : Activated sludge, filamentous organisms, bulkmg, dcantation, sedimen tation.

INTRODUCTION

Lorsqu'on utilise un racteur biologique culture libre {boues actives) pour purer les eaux uses, il faut lui adjoindre un dcanteur secondaire pour sparer l'eau pure des solides biologiques. Lorsque la performance de la dcantation n'est pas satisfaisante, il s'ensuit une baisse de la qualit de l'effluent de l'usine d'puration. Si ce problme persiste, le fonctionnement et le rendement de l'usine risquent d'tre affects, et le rtablissement d'une situation normale peut tre long et difficile. Les causes d'une mauvaise dcantation peuvent tre d'ordre physique ou d'ordre biologique. Les causes d'ordre physique sont principalement le choix ou l'utilisation inadquate des quipements du dcanteur secondaire. Les causes d'ordre biologique sont plutt le dsquilibre de la flore microbienne qui se dveloppe dans le liquide mixte. Dans cet article, nous tudions les causes d'ordre biologique responsables des pitres performances des dcanteurs secondaires utiliss dans les usines de traitement des eaux uses par boues actives. Nous dcrivons galement les symptmes rvlateurs des dsordres biologiques ainsi que les moyens employer pour rsoudre les problmes ou, du moins, pour les minimiser. La littrature sur ce sujet regorge d'exemples de mauvaise dcantation. Cependant, dans plusieurs cas les auteurs ne prsentent pas toutes les informations ncessaires afin de pouvoir tirer des conclusions valables. Confronts ce problme majeur, nous nous sommes limits aux articles offrant le plus d'information possible concernant les conditions du milieu et les caractristiques du racteur.

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DFINITION DU PROBLME

Lorsque la concentration de matires en suspension (MES) est trop leve dans l'effluent du dcanteur secondaire, on recommande de mesurer l'indice de volume de boues (IVB) du liquide mixte (APHA, et al. 1985). Un faible indice de volume de boues rvle que les caractristiques de dcantation des boues sont satisfaisantes ; dans ce cas, les causes d'une mauvaise dcantation sont plutt d'ordre physique. En revanche, un indice de volume de boues lev indique que les caractristiques de dcantation des solides biologiques ne sont pas satisfaisantes ce qui est imputable un dsquilibre d'ordre biologique dans la communaut des micrdorganismes prsents dans le liquide mixte. Le problme le plus frquent est d une croissance excessive des microorganismes filamenteux. En effet, l'enchevtrement des filaments qui se propagent l'extrieur des flocs biologiques, s'oppose la sdimentation des flocs lors de la dcantation. Pour rsoudre ce problme, il faut trouver la cause du dsquilibre biologique, puis l'liminer. Pour bien identifier les causes du dsquilibre biologique et les solutions possibles, l'approche que nous prconisons s'apparente un cheminement critique (fig. 1) : les diverses causes et leurs manifestations (ou symptmes) sont recenses dans les cases 1 32, et les solutions proposes, dans les cases 33 49. L'ordre de prsentation des causes est fonction de la frquence d'apparition des problmes rels. chaque case de la figure 1 correspond une fiche technique qui porte le mme numro et qui comporte les donnes ncessaires la poursuite du cheminement critique. Ces fiches rsument celles prsentes dans le document du Centre de dveloppement technologique de l'cole Polytechnique de Montral (1988). Lorqu'on connat les caractristiques des eaux uses et des boues, on peut l'aide de la figure 1, identifier la cause du dsquilibre biologique et apporter le ou les correctifs qui s'imposent.

ANALYSES REQUISES

Les analyses et observations requises pour une utilisation adquate de la figure 1 sont prsentes au tableau 1. Pour valuer adquatement les performances d'un procd de traitement par boues actives, il faut faire ces observations rgulirement et analyser les rsultats obtenus quotidiennement, afin de dceler les problmes avant qu'ils ne deviennent trop importants. L'oprateur peut ainsi remdier la situation avant que la qualit de l'effluent de l'usine d'puration soit affecte. Les techniques d'analyses pour la plupart des paramtres prsents au tableau 1 sont dcrites dans APHA et al. 1985. Les autres mthodes telles que celles pour mesurer le taux d'utilisation de l'oxygne dissous sont prsentes dans le document du Centre de dveloppement technologique de l'cole Polytechnique de Montral, 1988.

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Tableau 1

Analyses et observations ncessaires l'identification de la ou des causes d'une mauvaise dcantation l'aide du cheminement suggr la figure 1.Caractristiques de l'affluent - Demande chimique en ygne (DCO) - DBO5 soluble et DB0 5 totale - Concentration d'azote - Concentration de phosphore - Prsence de substances toxiques - Variations brusques des qualits de l'affluent - Prsence de rejets industriels - Proportion de substrat sous forme partculaire Caractristiques du racteur - Analyse microscopique des boues - Type de racteur - Concentration de MES et de MVES - Taux d'utilisation de l'oxygne dissous - Concentration d'oxygne dissous -Variations de pH Effluent du dcanteur primaire - Concentration d'oxygne dissous - Concentration de H2SMVES : matires volatHes en suspension MES : matires en suspension

DESCRIPTION DU PROBLEME

l'aide d'un exemple, nous allons maintenant illustrer l'utilisation de la figure 1. Dans l'effluent d'une station d'puration (de type boues actives), on dcle une augmentation importante des matires en suspension ; de plus, dans le dcanteur secondaire, le voile de boue atteint presque la surface de l'eau, et l'IVB est lev, ce qui laisse prsager un dsquilibre biologique. Les rsultats des observations et des analyses effectues conformment aux indications du tableau 1 permettent d'affirmer que : a) plusieurs bactries filamenteuses prdominent dans la communaut bactrienne du liquide mixte. L'analyse taxonomique des organismes filamenteux rvle la prdominance de trois espces diffrentes soit : Microthrix parvicella, type 0092 et Thiothrix sp. ; b) le taux d'utilisation de l'oxygne est de 12 mg O^g M ES h ; c) l'enlvement de la DCO est de 0,48 kg DCO/kg M E S d ; d) il n'y a aucune substance toxique dans l'affluent de l'usine d'puration ou dans le racteur biologique ; e) il n'y a aucune variation brusque des caractristiques de l'affluent ; f) les pH de l'affluent et du bassin d'aration sont respectivement de 7,0 et de 6,8 ;

1 | XI | 0.1-0,2 | O..O.3 : | 0.3-0,45 |

CnirgeXHganiqunaniavteiiiig DCO cl 1 Vg MES-dl 0.4S-0.S I I 0.5-0.6 I I O.B-0.7 I I 0.7-0, | 1 0.B-0.9 1 | 0.9-LOS 1 | L

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