Système de traitement biologique des eaux usées de désulfuration des gaz de combustion iBIO™

Jason (Xinjun) Teng, Ingénieur de recherche, Southern Company, 600 18th Street North, Birmingham, AL 35291 Tél. : 205-257-5951 Fax : 205-257-5367 e-mail : xteng@southernco.com ; Robert Kelly, Directeur de recherche, Degrémont Technologies North American R&D Center, Richmond, VA 23219; Tony Lau, Responsable technique environnement, Infilco Degrémont, Inc., Richmond, VA 23229 ; Sunil Mehta, Ingénieur de recherche Senior, Degrémont Technologies North American R&D Center, Richmond, VA 23219 ; Mark Berry, Responsable R&D pour les contrôles environnementaux, Southern Company, Birmingham, AL 35291

Résumé : Des systèmes de désulfuration des gaz de combustion (DGC) par voie humide sont en cours d’installation dans des centrales électriques à charbon pour améliorer la qualité de l’air par élimination du dioxyde de soufre des émissions de gaz de combustion. Les eaux usées de colonne descendante DGC qui en résultent sont connues pour contenir des niveaux élevés de chlorures (4000 à 20 000 mg/l), des concentrations à l’état de traces de contaminants de métaux lourds tels que le chrome, le mercure et le sélénium, souvent des niveaux élevés de nitrates (10 à 700 mg/l) et des niveaux très élevés de matières solides dissoutes totales (20 000 à 60 000 mg/l). Au cours des dernières années, l’élimination des contaminants azotés, comme les nitrates (NO3-) et l’ammoniac, ainsi que celle de divers métaux lourds s’est avérée particulièrement préoccupante, notamment en ce qui concerne le sélénium (Se) car sa forme séléniate (SeO42-) n’est pas éliminée de manière efficace par des pratiques classiques de traitement physico-chimique.
Un système de traitement biologique innovant ayant fait l’objet d’une demande de dépôt de brevet, la technologie iBIO™, développée par Degrémont Technologies – IDI, offre une option de traitement amélioré pour l’élimination des composés de sélénium résiduel provenant des eaux usées de DGC. Un système de traitement iBIO™ pilote (1 – 2 gal/min) utilisant des principes biochimiques microbiens fondamentaux a été conçu et installé dans une centrale électrique à vapeur de la Southern Company. Une description du système iBIO™ est présentée dans le présent document ainsi que les résultats des études pilotes qui visaient l’élimination des nitrates, du sélénium et du chrome des eaux usées de DGC. Ces résultats ont été utilisés pour mettre au point les paramètres de conception d’un système iBIO™ à grande échelle. Les eaux usées de DGC de cette étude contenaient des concentrations importantes de nitrates (10 à 316 mg/l), de sélénium total (0,5 à 3,7 mg/l) et de chrome total (environ 0,02 mg/l). Les résultats de l’étude ont montré que le système iBIO™ permet d’obtenir dans l’effluent une concentration moyenne de NO3-< 1,0 mg/l, de Se total < 0,2 mg/l et de Cr total < 0,005 mg/l. Les données montrent que toutes les formes de séléniate sont éliminées par le système iBIOTM, alors que des concentrations à l’état de traces de sélénite résiduel et de composés de sélénium inconnus sont encore observées dans l’effluent traité.
Mots-clés : désulfuration des gaz de combustion, eaux usées, iBIO™, élimination des nutriments biologiques, sélénium, séléniate, sélénite, métaux lourds

INTRODUCTION

Les centrales électriques à charbon produisent une part importante de l’électricité des États-Unis. Les émissions dans l’atmosphère des centrales électriques à charbon nécessitent des systèmes de limitation de la pollution de l’air. Cela a abouti à la mise en œuvre d’épurateurs par voie humide pour éliminer le dioxyde de soufre (SO2) des émissions des cheminées. L’épuration par voie humide des gaz de combustion avec des boues de chaux ou de calcaire est un procédé éprouvé et exploité commercialement pour la réduction des émissions de SO2. Les eaux usées de désulfuration des gaz de combustion (DGC) qui en résultent peuvent contenir des concentrations élevées de matières solides, de chlorures, de sulfates, de métaux lourds et de nitrates. Les systèmes de DGC présentent des combinaisons uniques de caractéristiques (type d’épurateur, type d’absorbeur, utilisation d’additifs, problèmes d’exploitation, etc.) qui se traduisent par des propriétés d’eaux usées extrêmement variées. Traditionnellement, le traitement des eaux usées de DGC comprenait principalement des processus physico-chimiques pour l’élimination des matières en suspension totales (MEST) et des métaux lourds. En raison de la réglementation issue du Clean Water Act (CWA), les effluents rejetés dans les systèmes aquatiques peuvent nécessiter un traitement supplémentaire à effectuer en plus des systèmes physico-chimiques traditionnels.
Le traitement biologique visant à éliminer les métaux lourds des eaux de DGC est une technologie émergente. Les systèmes de boues actives à biomasse en suspension sont les procédés de traitement biologique les plus couramment utilisés pour l’élimination des matières organiques et minérales visées de différents types d’eaux usées. Le traitement biologique s’est avéré efficace pour l’élimination dans les eaux usées de DGC de certains métaux lourds, comme le sélénium, par des réactions de réduction et de précipitation. Infilco Degrémont, Inc. (IDI) a lancé une étude pilote de démonstration sur site afin de fournir un traitement complet et efficace des eaux usées de DGC. Le procédé de traitement biologique d’IDI ayant fait l’objet d’une demande de dépôt de brevet, iBIO™, a les objectifs suivants dans le cadre du traitement de l’eau de colonne descendante DGC : 1) Élimination des nitrates – dénitrification, 2) Élimination du sélénium, et 3) Élimination des matières organiques et de l’ammoniac.

TRAITEMENT EXPÉRIMENTAL

Le système d’assainissement des eaux usées de DGC iBIO™ d’IDI est un système de boues actives à biomasse en suspension. Le système de traitement biologique est composé d’une série de réacteurs conçus pour l’élimination biologique des nitrates, des métaux lourds, de l’ammoniac et des matières organiques des eaux usées de DGC avant leur rejet.
Le procédé de traitement complet comprend les étapes suivantes :
• Ajout d’urée, d’oligo-éléments et d’une source de carbone. • Élimination des nitrates dans le réacteur anoxique. • Sédimentation, épaississement et clarification des boues actives anaérobies/anoxiques. • Élimination du sélénium et du chrome par des micro-organismes réduisant les sulfates dans le réacteur anaérobie. • Boues actives de retour du clarificateur anaérobie au réacteur anoxique. • Filtration intermédiaire avant le réacteur aérobie. • Suppression du carbone organique total (COT) et de l’ammoniac dans le réacteur aérobie. • Boues actives excédentaires des clarificateurs anaérobies/anoxiques et aérobies. • Sédimentation, épaississement et clarification finale des boues actives aérobies avant la filtration finale. Filtration des effluents avant le rejet final. Le schéma de circulation du procédé de traitement biologique est présenté à la Figure 1.
Figure 1. Traitement biologique – Schéma de circulation du procédé