Le procédé SBR : une alternative aux techniques traditionnelles

Venu d'Europe du nord ou il avait été développé en premier lieu pour des effluents urbains avant d'être adapté à des applications industrielles, le procédé SBR a été popularisé en France en 1994 par le Laboratoire de Biotechnologies de l'Environnement de l'INRA de Narbonne qui le destine dans un premier temps au traitement des effluents viti-vinicoles. Pour fabriquer un prototype et engager des essais de fonctionnement, l'INRA recherche alors des cuves susceptibles d'être converties en réacteurs biologiques. Un accord est trouvé avec les Ateliers d'Occitanie spécialisés dans la construction, la réparation, la modernisation de matériel ferroviaire et la fourniture de citernes servant au stockage d'eau pour la lutte contre les incendies. Un partenariat se noue qui permet aux Ateliers d'Occitanie d'assurer le montage de la première installation tandis que l'INRA effectue les tests et essais nécessaires. La première réalisation fonctionnant avec succès, un contrat de collaboration est signé qui accorde aux Ateliers d'Occitanie une licence exclusive de commercialisation du procédé. Depuis, le procédé a fait ses preuves si bien qu'aujourd'hui, avec bientôt 100 SBR fonctionnant avec succès dans de nombreux domaines : effluents vinicoles, fromagers, Industries agroalimentaires mais aussi effluents urbains. C?est que ce process épuratoire ne manque pas d'atouts : en plus d'une exploitation simplifiée à l'extrême, il est d'une grande flexibilité, s'adapte parfaitement aux fluctuations de la charge polluante et de la charge hydraulique, génère moins de boues, tout en nécessitant moins de génie civil. Car contrairement aux systèmes de traitement classiques constitués au minimum d'un bassin d'aération et d'un décanteur, le SBR ne nécessite qu'un bassin unique dans lequel ces deux étapes sont réalisées successivement. Pour Nicolas Vincent, directeur du service environnement aux Ateliers d'Occitanie, « c'est un procédé séquentiel dont le fonctionnement est basé sur le temps, contrairement aux procédés à boues activées classiques, basés sur l'espace ». Le SBR : un procédé séquentiel basé sur le temps Le système SBR utilise un bassin unique dans lequel se réalise un cycle de traitement composé de cinq étapes : le remplissage de la cuve, la réaction au cours de laquelle on alterne phases aérobies et anoxiques, la décantation, la purge, le repos et le soutirage des boues. Le remplissage consiste à alimenter le réacteur en condition d'aération avec des effluents préalablement stockés dans un bassin tampon dimensionné pour contenir de 150 à 200% du volume généré sur 24 heures. Les boues biologiques qui sortent d'une phase de décantation sans alimentation ni aération (phase 4) sont affamées et vont donc capter immédiatement la pollution. Ce processus, appelé accumulation, va favoriser le développement de bactéries classiques floculantes en limitant l'apparition de bactéries filamenteuses et les phénomènes de bulking. Au cours de la seconde phase qui dure généralement 18 heures, la pollution va être dégradée grâce à l'oxygène provenant de l'aération. Pendant les 6 premières heures, la teneur en oxygène dissous est très basse et la matière organique abondante. Les conditions sont donc réunies pour qu'une dénitrification s'opère par oxydation de la matière organique par le nitrate (NO3-) et une libération de CO2 et de N2. Au cours des 12 heures suivantes, l'aération est intense car la majeure partie de la pollution organique a été traitée. Il se produit donc un phénomène de minéralisation des boues ce qui réduit fortement la quantité produite. L?âge des boues dans le réacteur étant élevé, toutes les conditions sont réunies pour favoriser la croissance des bactéries nitrifiantes qui vont convertir l'ion ammonium NH4+ en nitrate. C?est la nitrification, qui, en SBR, intervient après la dénitrification. Le nitrate formé sera dénitrifié pendant les premières heures de réaction du cycle suivant. Le traitement de la pollution carbonée, de l'azote et la stabilisation des boues se réalisent donc dans un seul et unique réacteur. La 3ème phase est celle de la sédimentation. Aération et agitation sont stoppées durant 4 heures pour clarifier l'effluent traité. Aucun flux ne vient plus perturber la décantation. Enfin, la 4ème et dernière phase consiste à évacuer l'effluent traité et, selon une périodicité variable, à soutirer les boues en excès. Classiquement, le procédé fonctionne sur un cycle de 24 heures et ne nécessite que deux ouvrages : le bassin tampon nécessaire au stockage des effluents à traiter et le réacteur proprement dit dans lequel se déroule l'intégralité du process épuratoire. C?est sur schéma que fonctionne par exemple la station d'épuration de l'aire d'autoroute de Carcassonne Arzens mise en service en février 2007 pour traiter une pollution correspondant à 900 E.H.. Conçue par Ondeo Industrial Solutions et réalisée en partenariat avec Ateliers d'Occitanie, elle traite les eaux usées des deux aires se trouvant de part et d'autre de l'autoroute A9. Elle est constituée d'un bassin tampon de 80 m3 situé sous le local technique et de deux réacteurs SBR de 140 m3 chacun et d'un stockage de boues de 100 m3. Les effluents à traiter étant peu chargés, ils sont répartis sur les deux réacteurs et traités en deux cycles de 12 heures au total. Pour assurer l'aération des effluents dans les réacteurs, deux soufflantes à canal latéral de 7,5 kW fournies par FPZ France alimentent en air chaque bassin. L?air ainsi produit est réparti sur des disques fines bulles et deux rampes d'aération indépendantes. En assurant le brassage et en apportant l'oxygène nécessaire au process les soufflantes jouent un rôle fondamental. La phase d'aération : essentielle au bon déroulement du process Sur ce type d'application, le rôle de la soufflante est déterminant. En marche, elle assure le bon déroulement de la phase d'aération. Patrick Ferrazini est gérant de FPZ France, première des 6 filiales européennes du groupe Italien FPZ, basé à Milan ; Il explique « Pour assurer une bonne alimentation en oxygène du bassin, la soufflante doit être dimensionnée en fonction du volume d'air et donc indirectement d'oxygène à apporter aux bactéries mais aussi en fonction de la pression nécessaire pour faire face à la hauteur d'eau dans le réacteur SBR et aux pertes de charges des diffuseurs et de tuyauterie.». Sur la station de Carcassonne Arzens, les deux bassins font 5 mètres de hauteur. Pour assurer une aération satisfaisante des effluents qui représentent en général environ 30% du volume de chaque bassin, ce sont deux soufflantes FPZ à canal latéral avec un corps double étage qui ont été choisies. Chaque soufflante est dédiée à l'aération d'un bassin. Mais l'installation a été conçue et dimensionnée pour que chaque machine puisse assurer l'aération des deux bassins. « Ainsi, explique Nicolas Vincent, en cas d'opération de maintenance ou de panne sur une soufflante, le fonctionnement de l'ouvrage n?est pas interrompu ». La puissance du moteur qui peut aller de 3 à 30 kilowatts a été choisie en fonction du volume réacteur. Au-delà des performances techniques des soufflantes qui conditionnent la qualité de l'aération et du brassage des effluents et qui influent donc directement sur le rendement global de l'installation, il y a également les aspects fiabilité et robustesse qui doivent être privilégiés pour assurer la continuité de l'exploitation de l'ouvrage. Pour Nicolas Vincent, « une soufflante doit remplir pleinement son rôle tout en se faisant oublier et en étant totalement fiable. Le bon fonctionnement d'une centaine d'exploitations disséminées dans toute la France dépend directement de la bonne marche des soufflantes. Le principe de fiabilité totale est donc fondamental ». Pour Patrick Ferrazini, « les soufflantes se situent, en termes de performances, au coude à coude avec les surpresseurs. Mais en termes de technologie, leur fonctionnement est beaucoup plus simple, ce qui permet de gagner considérablement en fiabilité ». Une soufflante à canal latéral, que l'on appelle également une turbine centrifuge, comprime l'air soit en volumétrie, soit en dynamique. En volumétrie, l'air est comprimé par un piston, alors qu'en dynamique c'est le principe de l'éventail qui entre en jeu. Les soufflantes à canal latéral construites et commercialisées par FPZ reposent sur ce dernier principe. L?air entre par un canal d'aspiration, une volute se créée qui va être comprimée en passant dans une chambre de compression avant de s'échapper par le canal de sortie. « L?avantage de ce principe de fonctionnement, c'est qu'en dehors des deux roulements situés à chaque extrémité de l'arbre, il n?y a aucune pièce en frottement, souligne Patrick Ferrazini. Et qui dit pas de frottement, dit pas d'usure. Lorsque l'exploitant met en marche sa soufflante, il part pour 32 à 35.000 heures de fonctionnement. C?est la durée de vie des roulements. Sur la base de 18 heures de fonctionnement, cela correspond à 6 ou 7 ans de fonctionnement en moyenne avant la première opération de maintenance qui se limitera à changer les roulements ». Pour l'exploitant, seul un nettoyage de l'ensemble de filtration, simple et rapide a réaliser, s'impose 2 à 3 fois l'an. Au-delà de la fiabilité liée à la simplicité de fonctionnement de ses soufflantes, FPZ a également beaucoup misé depuis de nombreuses années sur la qualité et le service. L?usine, basée à Milan produit 35.000 machines/an. Chaque machine est systématiquement testée sur banc d'essai au moins 35 minutes ce qui permet à l'entreprise d'afficher un taux de fiabilité de 0,4%. Chaque soufflante, livrée tarée et plombée au nominal de la machine, est garantie trois ans. Et pour assurer un service de qualité si malgré tout un problème survenait, FPZ France a fait le choix de disposer en permanence de la totalité de sa gamme en stock soit 137 modèles de base, ce qui correspond à 4.200 références si l'on combine les différentes tensions ou versions en fonction des différentes protections en IP ou ATEX. « Pour l'exploitant c'est une garantie très importante qui lui assure, en cas de panne, un échange en une demi-journée » souligne Patrick Ferrazini. « FPZ, qui ne fabrique que des soufflantes, dispose d'une maitrise complète du produit en terme de technologie, de fiabilité de disponibilité et de service. C?est ce qui nous différencie de la plupart des autres acteurs du marché qui se contentent bien souvent d'importer des produits à bas coûts en provenance du sud-est asiatique ». L?un des atouts principal du procédé SBR, c'est sa fiabilité et la simplicité d'exploitation. Pour en tirer le meilleur parti, il est logique que les machines qui le composent disposent de qualités similaires.