Traitement Bio

Traitement biologique des eaux usées 1-Traitement du carbone Nicolas Bernet [email protected] 

INRA-Laboratoire INRA-Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement  Avenue des étangs, 11 11100 Narbonne

L’ÉPURATION DES EAUX RÉSIDUAIRES Divers itédes so ur ces po llu antes : 

•Origine Eaux Résiduaires Urbaines (ERU) Eaux Résiduaires Industrielles (ERI) •Nature Organique (agro-alimentaire, (agro- alimentaire, pharmacie, …) Minérales (micro-électronique, (micro-électronique, automobile,…) •Forme Soluble Colloïdale Matières en suspension Di v er s i t éd es p r o c é dé s d e t r ai t em en t 

Physiques Chimiques

PRINCIPE DE L’EPURATION DES EAUX USEES   e    l   a   r    é   n    i    M   n   o    i    t   u    l    l   o    P   e   u   q    i   n   a   g   r    O   n   o    i    t   u    l    l   o    P

Produits solubles

Produits Produits colloïda colloïdaux ux

Matière Matièress en suspens suspension ion Dégrillage

 Neutralisation Coagulation

Oxydo-réduction

Floculation

Echange d’ions

Dessablage Décantation

Membranes (OI, ED)

Flottation

Précipitation

Filtration

Oxydation

Coagulation

Adsorption

Floculation

Dégrillage Déshuilage Décantation

Extraction

Flottation

Traitements biologiques aérobies Cultures bactériennes en suspension

Boues activées, Lagunage Cultures bactériennes fixées

Lits bactériens, Biofiltres

Clarification Décantation Flottation

FILIERES DE TRAITEMENT Prétraitement

Traite aitem ment prim primaaire ire

Dégrillage

Chimiques: neutralisation, Oxydoréduction, ...

Trait raitem emeent tert tertia iair iree

Boues activées Lagunage aéré

Décantation

Lits  bactériens

Dessablage Déshuilage

Traite itement sec seconda ondair iree

Physiques: stripping,, décantation, flottation, filtration

Elimination Azote  Nitrification Dénitrification

Rejet rivière nappes mer  épandage

Elimination Phosphore chimique  biologique

Biodisques Biofiltres

Désinfection Cl2, O3, UV

Digestion anaérobie

Boues Stabilisation biologique Stabilisation biologique ou chimique

déshydratation filtration

incinération décharge

LES PRINCIPAUX CRITÈRES DE POLLUTION

Poll ut ion Partic ulair e: les les Matières en Su sp ens io n  • Matières sèches Pollution Organique: DBO, DCO  DC O  • DBO5 : Demande Biochimique en Oxygène, consommation d’oxygène en 5 jours par des µo de contamination banale des eaux; • DCO : Demande Chimique en Oxygène, consommation d’oxygène dans les conditions d’une réaction d’oxydation par le bichromate de potassium, à chaud, c haud, avec catalyseur. Pollution à l’origine de l’eutrophisation

• Azote total N • Phosphore total P

PARAMÈTRES ET VARIABLES CARACTÉRISTIQUES D’UN PROCÉDÉ BIOLOGIQUE • Concentration en biomasse : X • Concentration en pollution organique (DBO) : l • Rendement d ’épuration : r • Volume du réacteur : V • Débit volumique entrant : Q • Charge massique appliquée : Cm • Charge volumique appliquée : Cv • Temps de passage :

V  Q

Ql 0 VX 

Ql 0 V 

CADRE RÉGLEMENTAIRE - les lois précisent précisent les valeurs limites des critères de pollution, en concentration concentration et en rendement d’épuration (Directive européenne du 21 Mai 1991 pour les ERU) - la valeur limite limite est respectée quand au maximum maximum 10% des résultats résultats dépassent cette valeur, valeur, en restant inférieurs à deux fois cette valeur. - existence existence de normes normes spécifiques spécifiques à certaines certaines zones sensibles à l’eutrophisation. -contrôles réguliers ou inopinés, selon la quantité brute de pollution générée.

Paramètre

Concentration

DBO5 DCO MES N total* P t t l*

25 mgO2/L 125 mgO2/L 35 mg/L 15 mg/L 2 /L

% minimal de réduction

70-90% 75% 90% 80% 70 80%

EVOLUTION DES PERFORMANCES DES STATIONS D’ÉPURATION

FLUX FLUX REJETÉ REJETÉS S APRÈS APRÈS TRAITEM TRAITEMENT ENT ÉVENTU ÉVENTUEL EL DANS DANS UNE UNE STA STATION TION D’ÉPURATION INDUSTRIELLE

LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES Traitement Traitem ent de la matière organique Traitement aérobie (boues activées)

MO + µorganismes + O 2 100%

µorganismes + CO2 50%

50%

Traitement anaérobie (méthanisation)

Biogaz MO + µorganismes

100%

µorganismes + CH4 + CO2

7-12%

85-90%

PRINCIPES DE L’EPURATION BIOLOGIQUE AEROBIE

Réaction de catabolisme

Matière organique + Microorganismes + O 2

Nutriments

CO2 + H2O + Energie

Réaction d’anabolisme

Matière organique + Microorganismes + O 2 + Energie

Nutriments

C6H5O2N + CO2 + H2O

Oxydation biomasse (respiration endogène)

C6H5O2N + 5O2

5CO2 + 2H2O + NO3- + métabolites réfractaires (boues en excès)

Bilan Oxygène

DCO (soluble) = DCO (biomasse) + O2 (utilisé)

ENERGÉTIQUE DU MÉTABOLISME MÉTABOLISME CELLULAIRE

Substrat

 Anabolisme

Catabolisme

Produits + CO2 + H2O

Biomasse

 ATP  ATP

 ADP + P

Energie

Substrat

LE MÉT MÉ TABOLISME AÉROBIE

Matière organique Oxydation de la matière organique

CO2 + H2O

Métabolites réfractaires

O2

Micro-organismes

Oxydation de la Biomasse (respiration endogène)

PRINCIPES DE L’EPURATION BIOLOGIQUE AEROBIE Croi Croissa ssanc nce e expo expone nent ntie ielllle e

Croissance endogène

Croi Croissa ssanc nce e rale ralent ntie ie

Taux de consommation de O2

Masse totale de cellules

L0

S0

Production de boue

RAPPEL : CINÉTIQUE MICROBIENNE

r  X 

r  x  : µ: µm :  X : r s : Y : b:

 X 

r S 

Y 

vitesse de croissance (g.L-1h-1), taux de croissance (h-1), taux de croissance maximal concentration en biomasse (g/L) vitesse de consommation du substrat (g.L -1h-1) rendement rendement en biomasse biomasse (kgMVS.kdDBO-1) mortalité des cellules (j -1)

l 

 X  m

 K  l 

b

INFLUENCE DES CONDITIONS PHYSICO-CHIMIQUE SUR LES BOUES ACTIVEES

pH

6,5 6,5 - 8,5 8,5 Température

Influence directe sur la vitesse des réactions biologiques Oxygène dissous

Substrat des microorganismes, importance du transfert Facteurs nutritionnels

Macro-éléments Macro-élé ments : C, N, P. DBO5:N:P = 100:5:1 Micro-éléments : Fe, Ca, Mg, K, Mo, Zn, Co,...

ELIMINATION DU CARBONE PAR VOIE AÉROBIE PROCÉDÉ À BOUES ACTIVÉES ACTIVÉES

dégrillage

dessablage

déshuilage

Poste de relèvement Traitement Traitement des boues Silo à boues

Recyclage boues Départ des eaux épurées

Décanteur 

Bassin de Boues activées

DIFFÉRENTS TYPES DE PROCÉDÉS À BOUES ACTIVÉES ACTIVÉES

Charge Massique (kgDBO5.kgMVS-1.j-1)

Désignation

Charge Volumique (kgDBO5.m-3.j-1)

<0,10 Faible Charge

<0,35  

Concentration en Boues (kgMVS.m-3)   4

Age de Boue Bouess (j) (j)

Rema emarque rquess >90%

10 à 30

<0,07

 Nit. possible

Moyenne Charge

0,1 0,15
0,5
Forte Charge

0,4
1,5
3

4 à 10

80 à 90 %

2à3

1,5 à 4

90%

NB: Les procédés à faible fai ble ch arge sont aussi appelé A é r at i o n p r o l o n g é e 

DIMENSIONNEMENT DU BASSIN D’AÉRATION DES STEP

Q, l0, X0 (1+r)Q, lf , X

(1-e)Q , lf , Xs

lf , X r Q eQ

= taux d’épaississement des boues (3 en général) r = taux de recirculation e = taux d’extraction

DIMENSIONNEMENT DES STEPSTEP- BESOINS EN OXYGÈNE OXYGÈNE Besoins en O2 (kg.j-1) = a’DL + b’Ba  Avec

DL = quantité de DBO éliminée éliminée dans le le bassin (kg.j-1) Ba = quantité de boues activées dans le bassin (kg MVS)

O2 (kg.j-1) = a ’Q(l0-lf ) + b ’XV Fort Fortee ch char arge ge Moye Moyenn nnee ch char arge ge Faib Faible le ch char arge ge -1

Cm (kgDBO kgMVS.j )  (h) -1

K’ (h )

0,5 - 1

0,1 - 0,5

2-4

4 - 11

1

0,4

Y

< 0 ,1 24 0 ,3

0,6 -1

 b (j )

0,05 -1

0,5

0,55

0,66

-1

0,12

0,08

0,07

25

3

4

a’ (kgO2.kgDBO.j )  b’ (kgO2.kgMVS.j ) X (kg

-3

)

DIMENSIONNEMENT DES STEP PRODUCTION DE BOUES

B = Bmin + Bdur  + YQ(l0-lf ) - bXV - Beff 

B : boues en excès (kg MES.j-1) Bmin : 30% des MES entrantes Bdur : MES difficilement biodégradables, 25% des MVS effluent YQ(l0-lf ) : boues synthétisées bXV : fraction détruite par auto-oxydation Beff  : boues partant avec l’effluent de sortie

Synoptique de la station d’épuration urbaine du Bola (Belgique)

Vue Vue générale de la station d’épuration urbaine du Bola (Belgique)

Bassin d’aération (400 m3)

Clarificateur secondaire (150 m3)

ECOSYSTEME DES BOUES AEROBIES AEROBIES Bactéries

Bâtonnets Bâtonnets GramGram- : coliforme coliformes, s, Enterobacter, Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium, Zooglea

Bactéries Gram+ : Micrococcus, Arthrobacter, Arthrobacter, corynéformes, mycobactéries Levures et champignons filamenteux

Présents en faibles quantités Protozoaires

Rhizopodes ou amibes Ciliés comme Vorticella, Vorticella, Epistylis, Apidisca, A pidisca, Opercularia,... Métazoaires

PROTOZOAIRES PROTOZOAIRES DANS LES BOUES ACTIVEES

THEORIES EXPLICATIVES SUR LA FORMATION DES FLOCS

•Phénomènes d’attraction à la surface bactérienne bactérienne •Modèle de l ’ossature filamenteuse •Théorie intégrée

Groupe

Type

Affinité

Résistance

forte pour

au manque de S

formeur de flocs

élevé

S

faible

filaments A

élevé

O2

faible

filaments B

faible

S

forte

LES MICROORGANISMES RESPONSABLES DU FOISONNEMENT Bactéries

Gram - filamenteus filamenteuses es (à trichome) trichome) : Sphaerotilus natans, Beggiota, Thiotrix, Microthrix  Gram+ : Bacillus Champignons filamenteux Geotrichum candidum, Leptomitus, Cephalosporium, Cladosporium, Penicillium

BOUES ACTIVEES ET FOISONNEMENT (BULKING)

METAZOAIRES DANS LES BOUES ACTIVEES

Rotifères

Nématodes

PROBLEME DE MOUSSES DANS LES BOUES ACTIVEES ACTIVEES

LES MICROORGANISMES RESPONSABLES DU FOISONNEMENT

Champignons Champignons filamenteux

 Amélioration de la rétention de de biomasse - Augmenter la concentration concentration en microorganismes microorganismes dans le réacteur 

Charge massique :

 F 

Q S 

 M 

V   X 

- Amélio Améliorer rer la qualité qualité du rejet (MES) (MES)

Bioréacteurs à membranes (BRM) Réacteur à biomasse immobilisée (biofilms)

LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM)

Eau usée

Perméat

Eau usée

Perméat

Boues en excès

Boues en excès Membranes externes

Membranes immergées

Membranes tubulaires ou planes

Membranes fibres creuses (2/3) ou planes (1/3)

Filtration tangentielle (1-4 kWh.m -3)

Filtration par dépression (0,4-1 kWh.m -3)

Jusqu’à 30 gMES/L (8-15) (8 -15)

6-12 gMES/L

Prétraitement poussé nécessaire

Prétraitement poussé nécessaire

Fréquence de lavage élevée

Fréquence de lavage faible

Appliquée Appliq uée aux ERI (lixiviats)

Appliquée aux ERI et ERU

LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM) Le développement développement des BRM en Europe (Kraume et Drews, Drews, 2010)

LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM) Evolution des coûts coûts de fonctionnement fonctionnement et de maintenance maintenance (Kraume et Drews, Drews, 2010)

LE BRM APPLIQUÉ AUX ERU Qualité du rejet très élevée :

- rejet rejet en zone sensible, sensible, - possibilité de recyclage de l’eau traitée

Mais : coût plus élevé, capacité d’aération inférieure aux BA (viscosité)

Développement très important :

- marché marché multiplié multiplié par par 10 en 5 ans, ans, - 10 M d ’habitants (0,5%)

 Augmentation de la taille des stations : projet de 400 000 EH (USA), en 2000 la plus grande station traitait 35 000 EH (Leipzig), en 2008, la station stati on de Nordkanal

RÉACTEURS À BIOMASSE FIXÉE

• Biofilm

PROCÉDÉS À BIOFILM

Avantages

- Charge Charge volumique volumique éliminée éliminée élevée élevée - Compacité Compacité (emprise (emprise au sol, couvertur couverture) e) - Modu Modula larit rité é - Robustesse Robustesse (inhibiteu (inhibiteurs, rs, chocs) : diversité? diversité?

Mais

- Frais d’investissement plus élevés - Automatisat Automatisation ion nécessaire nécessaire - Durée de colonisation colonisation des des matériaux matériaux support - Limitations de l’apport en substrats - Colmat Colmatage age (lit (lit fixe) fixe)

PROCÉDÉS À BIOMASSE FIXÉE BIOFILM anaérobie aérobie

CO2 sous-produits

support O2 DBO5

biofilm  Possibilité de développement de bactéries autotrophes près

du support (Nitrification)

Gar n is s ag es u ti li s é s e n l it s b ac té ri en s 

- garnissages garnissages ordonnés ordonnés (auto-suppo (auto-supportés rtés))

cloisonyle™

 surfaces

spécifiques  A : de 60 à

LE LIT BACTERIEN

Répartition par sprinkler 

Recirculation

Garnissage

Effluent à traiter  Effluent traité

LE LIT BACTERIEN

LE LIT BACTERIEN • On fait ruisseler l'eau sur un matériau développant de la surface spécifique (50-200 m 2/m3) • Matériau naturel (gravier, roche volcanique) ou synthétique (PVC, PE, PP) • Ventilation naturelle ou forcée • Nécessité Nécessité d’avoir d’avoir un arrosage arrosage optimal pour: pour: - ne pas assécher assécher le biofilm, ne pas le noyer (pour l’apport d ’oxygène) - permettre permettre la croissance croissance du biofilm biofilm - permettre l’autocurage: élimination du biofilm (éviter le colmatage) • Consommation électrique moins importante que pour les boues activées (2 à 3 fois moins) • Produit autant de boues que le procédé à boues activées (BA). • Mais décanteur secondaire de surface moindre que BA car il ne voit que les boues produites (pas de recirculation des boues comme dans les BA). • Pour le traitement d’effluents d’effluents industriels fortement chargés, chargés, utilisation d’un lit bactérien (i.e. abattement de 50% de la charge) avant un traitement par boues activées. • Capacité : 4-10 gDBO/m 2.j soit 0,1-1 kgDBO/m 3.j • Nitrification possible en un ou deux étages

LE LIT BACTERIEN

Lit Bactérien DIMENSIONNEMENT l  f   l 0

exp exp

H: hauteur du lit (m)  As: surface spécifique en m 2.m-3 Qh : Charge hydraulique (débit rapporté à la section du lit), m.j-1 n : coefficient (n=0,91-21.5/As) K : constante liée à la biodégradabilité, biodégradabilité, ERU: ERI

0,0226 Abattoirs : 0,0082 Conserverie fruits-légumes : 0,0153

 KA s

 H  Qh

n

Volume de matériau (m 3.m-3 d’eau traitée) 0.2 Abattoirs

0.16 0.12 0.08

ERU

0.04 0

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS

Eau brute

Eau traitée Décanteur  primaire

Décanteur  final

Boues

Boues en excès

LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS

LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS • Observation au 19 ieme siècle du pouvoir épurateur des moulins à eaux ! • La biomasse est fixée sur des disques en rotation montés verticalement et immergés à 40 % dans l'eau à traiter : - épaisseur épaisseur du biofilm biofilm 1 à 3 mm - diamèt diamètre re 2 à 4 m - vitesse de 1 à 2 t/minute t/minute - espacement espacement entre entre les disque disquess 2 à 3 cm • Disques pour traiter la pollution soluble • Faible agitation, il faut éviter les dépôts • Décanteur primaire nécessaire • Pas de recirculation des boues • Disques ondulés ou autres formes: - 50 à 200 200 m2 /m 3 - sur arbre arbre de 7,5 m: jusqu'à jusqu'à 9300m2 - ajout de godets et injection d'air pour entraîner entraîner la rotation. • Les disques doivent être couverts: protection contre les intempéries pluie, gel, soleil.

LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS

BIOFILTRES ET LIT FLUIDISES

S S

A

A

S

Biofiltre ascendant

Biofiltre descendant

A Lit fluidisé

LES BIOFIL BIOF ILTRES TRES Procédé d'épuration de l'eau usée à culture de bactéries fixées utilisant un matériau granulaire en tant que support assurant la filtration filtration et la dégradation dégradation biologiqu biologique e

LES BIOFIL BIOF ILTRES TRES

• Support < 5 mm • Opération en lit fixe ou fluidisé • Co-courant ascendant gaz-liquide ou contre-courant • La biomasse reste dans le filtre : colmatage et nécessité de faire des cycles de lavage pour enlever la biomasse (air ou eau) • Compacité (faible emprise au sol, forte surface spécifique disponible pour le biofilm 700 à 1200 m 2 /m3) • Absence de clarificateur secondaire: les eaux de lavage concentrées concentrées en biomasse sont acheminées directement au traitement des boues. • Capacité : 2-10 kg DCO/ m 3.j

Biofiltres :le Biofor ®

Biofiltres :le Biostyr ®

Comparaison biomasse fixée-biomasse en suspension Système à biomasse fixée

Système à biomasse suspension

Résiste mieux aux composés toxiques de l'affluent

Sensible à la présence de toxiques

Limitations au transfert de masse du substrat Peu de limitation au transfert du substrat dans le biofilm  Aucun effet effet du décanteur décanteur secondaire secondaire sur le fonctionnement du réacteur et sa charge en biomasse

Le fonctionnement du bassin d'aération, et sa quantité de biomasse sont directememt reliés à la performance du décanteur secondaire

 Avec les biofiltres, biofiltres, on peut se passer de décanteur secondaire

Décanteur secondaire toujours nécessaire

Conception basée encore sur des relations Nombreux modèles disponibles (et logiciels) empiriques car mécanismes complexes dans pour la conception le biofilm

Procédés émergents Granules aérobies

- Procédé Procédé aliment alimenté é en mode mode SBR SBR - Rôle essentiel de l’hydrodynamique sur la granulation et la stabilité des granules - Domaine d’application : traitement simultané du carbone, de l’azote et du phosphore

PRINCIPE DE L’ÉPURATION BIOLOGIQUE ANAÉROBIE

Macro-molécules B. hydrolytiques

Hydrolyse

Monomères B. acidogènes

 Acidogenèse Acides organiques, alcools, ...

 Acétogenèse

B. acétogènes

Acétate B. homoacétogènes

 A. méthanogènes acétoclastes

CO2+H2

 A. méthanogènes hydrogénophiles

CH

Méthanogenèse

PRINCIPE DE L’ÉPURATION BIOLOGIQUE ANAÉROBIE

Biogaz (CH4 + CO2)

Carbone Organique 100 %

Ecosystème de la méthanisation

<90 % Biomasse >10%

HYDROLYSE ET ACIDOGENESE ACIDOGEN ESE

Bactéries impliquées : Clostridium, Ruminococcus, Bacillus, Escherichia, Bacteroïdes, Enterobacter, Enterobacter, ...

Hydrolyse Macromolécules

Molécules simples  Acidogénèse  AGV,  AGV, Acide lactique, Alcools, CO2, H2

BACTERIES HOMO-ACETOGENES

Bactéries impliquées : Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa...

C6H12O6

3 CH3COO- + 3 H+

G0’ = -311 KJ/réaction

4H2 + 2HCO3- + H+

CH3COO- + 4 H2O

G0’ = -105 KJ/réaction

BACTERIES SYNTROPHES

Bactéries impliquées : Syntrophobacter, Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophospora et Syntrophus.

Type de réaction

Oxydation d’acide gras Oxydation d’alcool Oxydation d’acide aminé Oxydation de composé aromatique

Réactifs

Produits

Energie libre* (KJ/réaction) G ' G'

Propionate +3H2O Ethanol + H 2O  Alanine + 3H2O

Acétate + HCO3- + H+ + 3H 2 Acétate + H+ + 2H2 Acétate + HCO3- + H+ + NH4+ + 2H2

+74 +2 +8

-1 -44 -38

Benzoate + 7H2O

3 Acétate + HCO3- + H+ + H2

+53

-16

* G ' : condit condition ionss standa standard, rd, pH7, pH7, 25 C ; G' : conditions identiques à l’exception de p H2=10-4 atm.

LE TRANSFERT INTER-ESPECES INTER- ESPECES D’HYDROGENE

 ARCHAEA METHANOGENES

Méthanogènes acétoclastes Methanosarcina et Methanosaeta (Methanothrix)

CH3COO- + H2O

CH4 + HCO3-

G°'=-31 KJ

Méthanogènes hydrogénophiles Methanobacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium,...

HCO3- + 4H2 + H+

CH4 + 3H2O

G°'=-135,6 KJ

4HCOO- + H2O + H+

CH4 + 3HCO3-

G°'=-130 KJ

 ARCHAEA METHANOGENES

INFLUENCE DES CONDITIONS PHYSICO-CHIMIQUE SUR LA DIGESTION ANAEROBIE

pH

Neutralité Température

Mésoph Mésophile ile (35-40 (35-40 C) ou therm thermoph ophile ile (55-60 (55-60 C) Potentiel d ’oxydo -réduction

 Anaérobiose stricte stricte : -300 à -330 mV Facteurs nutritionnels

Macro-éléments : C:N:P = 150:4:1 Micro-éléments : Fe, Ni, Mg, Ca, Na, Co

LA MÉTHANISATION DES EFFLUENTS

Sp é c ificité s 

élevées (>2500 mg DBO)  Adaptée pour des concentrations élevées  Convient pour ERI, ERU pays chaud Optima mall à 35 C  Opti  Faible rendement en biomasse (0,1 à 0,2 kg MVS.kgDBO-1)  Biogaz (70% CH 4) valorisable, autonomie énergétique

c roissance faible : démarrages longs  Taux de croissance  Sensibilité aux perturbations (surcharges, chocs pH)

La méthanisation est une voie de dépollution relativement peu développée en France par les traiteurs d’eau. Elle revient revient « à la mode mode » périodiqueme périodiquement nt pour pour des raisons raisons diverses diverses : - énergétiqu énergétiques es (années (années 80) 80) - économiques (années (années 90: abattement abattement de pollution en ERI) - écologiques (depuis 98): énergie renouvelable, hygiénisation des boues d’épuration, réduction des boues d’épuration.

LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION Cellules libres:  G

E

S

CONTACT  ANAEROBIE R

G

REACTEUR COMPARTIMENTE E

S

LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION

G

S

REACTEUR  A LIT DE BOUES (UASB)

E

E: entrée effluent, S: sortie effluent, G: biogaz, R: recyclage

UPFLOW ANAEROBIC ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB) REACTOR

UPFL UPFLOW OW ANAE ANAERO ROBI BIC C SLUD SLUDGE GE BLAN BLANKE KET T (UAS (UASB) B) REAC REACT TOR

Charge volumique : 10 à 25 kgDCO/ m 3.jour  Vitesse de décantation des granules élevée : 20-50 m/h Forte densité de biomasse : 20-50 kgMVS/m 3 SVI < 20ml/g Hauteur : 4-6 m Vitesse ascensionnelle du liquide : 0,5-2 m/h

EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR

EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR Charge volumique : 20 à 30 kgDCO/ m 3.jour  Vitesse de décantation des granules très élevée : 60-100 m/h Hauteur : 12 à 18 mètres Vitesse ascensionnelle du liquide : 5-6 m/h  Auto-nettoyage du séparateur séparateur triphasique

INTERNAL CIRCULATION (IC) REACTOR

INTERNAL CIRCULATION (IC) REACTOR

Charge volumique : 20 à 30 kgDCO/ m 3.jour  Hauteur : jusqu’à 25 m mètres Vitesse ascensionnelle du liquide : 10-20 m/h en bas, 2-10 m/h en haut

GRANULES ANAÉROBIES

GRANULES ANAÉROBIES

Substrat : acétate ( Methanosaeta)

Substrat : saccharose (mixed culture)

DÉCANTATION DÉCANTATION DE D E BOUES BOU ES ANAÉROBIES

MODELISATION Vers la prise en compte de la complexité microbiologique

LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION

G

Ce l lu l es f i x é es : 

S

REACTEUR A LIT FIXE (FILTRE ANAEROBIE) R

E

BIOFIL BIOFILTRE TRE ANAÉROBIE ANAÉROBIE

LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION REACTEURS  A LIT MOBILE L i t f l u i d i s éa s c e n d a n t

Lit flu idi séinv erse 

G

L i t t u r b u l éi n v e r s e   E

G E

G

S

S

S R R

R(gaz)

LIT FLUIDISÉ, GAS-LIFT • Augmentation de la surface disponible (support (support granulaire ou granules) • Support mis en mouvement • Pas de colmatage • Contrôle possible des biofilms (hydrodynamique) 4

3

Réacteur faibles contraintes

2 5

6 7 16 9 8

Réacteur fortes contraintes 10 11 15 13 14 12

1

BIOFILM ANAEROBIE

200 µm

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DIGESTEURS Température

mésophile mésophile (35 C) : contrôle contrôle nécessaire nécessaire pH

- Neut Neutra ralilité té - Pouvoir tampon du milieu ou ajustement (soude, chaux) Stabilité

- suivi des Acides Acides Gras Volatil Volatilss (surcharges) (surcharges) - suivi de la teneur teneur en H2 du biogaz - développement de systèmes systèmes de conduite automatisée - nécessité de contrôler les les apports (N, P, P, oligo-éléments) Acidification

Selon les substr strats (sucres ou riches en sulfates), un bac tampon en tête du méthaniseur peut être utilisé comm comme e réac réacte teur  ur  d’acidification, cela limite les fluctuations de pH, ainsi que la prolif lifératio tion des bactér téries fermentai taires acid acidog ogèn ènes es dans dans le réac réacte teur ur..

CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DIGESTEURS

Biogaz

- valorisable en place (chaudières, (chaudières, cogénération, injection injection du gaz dans dans le réseau) - combustion combustion (torchères) (torchères)

Démarrage des digesteurs

- ensemence ensemencement ment massif pour pour les cellules cellules libres - boues acclimatées, acclimatées, digesteurs ERU, lisiers lisiers (porcs, bovins) - plus délicat délicat pour les cellules cellules fixées (adhésion) - augmentatio augmentation n progressive progressive de la charge charge

PERFORMANCES DES DIGESTEURS

Cinétique de la méthanisation

0,1 à 2 kgDCO.kgMVS-1.j-1 Yx/s= 0.05 à 1 kgMVS.kgDCO-1 YCH4=0,3 m3CH4. kgDCO-1 Performances des digesteurs industriels X (kgMVS.m-3)

Cv (kgDCO.m-3.j-1)

TSH (j)

Contact

5-20

1-5,5

5-10

Filtre

10-30

10-15

1-5

Lit fluidisé

40-50

30-40

0,2-2

UASB

20-40

15-25

0,5-4

PERFORMANCES DES DIGESTEURS

Potentialités des réacteurs aux fortes charges

Réacteurs à lit mobiles: > 100 kg DCO.m-3.j-1 Problèmes hydrodynamiques (biogaz, détachement biofilm)

Exemple

Usine Euroserum (séchage de lactosérum) rejette 2500 m3.j-1 d’effluent à 4,3 kgDCO.m-3. Le traitement est réalisé dans 2 réacteurs à lit fluidisé de 300 m3 chacun. Le biogaz génère de la vapeur  d’eau utilisée dans le procédé, ce qui entra traîne une économie de 90 000  €/a  €/an n pour  our l’installation l’installation..