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Traitement biologique des eaux usées
1-Traitement du carbone
Nicolas Bernet
INRA-Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement
Avenue des étangs, 11100 Narbonne
L’ÉPURATION DES EAUX RÉSIDUAIRES
Diversité des sources polluantes:
•Origine
Eaux Résiduaires Urbaines (ERU)
Eaux Résiduaires Industrielles (ERI)
•Nature
Organique (agro-alimentaire, pharmacie, …)
Minérales (micro-électronique, automobile,…)
•Forme
Soluble
Colloïdale
Matières en suspension
Diversité des procédés de traitement
Physiques
Chimiques
Biologiques
Couplages
Produits solubles Produits colloïdaux Matières en suspension
Neutralisation
Oxydo-réduction
Echange d’ions
Membranes (OI, ED)
Précipitation
Oxydation
Adsorption
Extraction
Traitements biologiques aérobies
Cultures bactériennes en suspension
Boues activées, Lagunage
Cultures bactériennes fixées
Lits bactériens, Biofiltres
Traitements biologiques anaérobies (méthanisation)
Dégrillage
Dessablage
Décantation
Flottation
Filtration
Coagulation
Floculation
Coagulation
Floculation
Décantation
Dégrillage
Déshuilage
Flottation
Décantation
Flottation
Clarification
Poll
uti
on
Min
érale
Poll
uti
on
Org
an
iqu
e
PRINCIPE DE L’EPURATION DES EAUX USEES
D’après Boeglin, Techniques de l’Ingénieur
Traitement primaire Traitement secondaire Traitement tertiaire
Dégrillage
Dessablage
Déshuilage
Prétraitement
Chimiques:
neutralisation,
Oxydo-
réduction,
...
Physiques:
stripping,,
décantation,
flottation,
filtration
Boues
activées
Lagunage
aéré
Lits
bactériens
Biodisques
Biofiltres
Digestion
anaérobie
Décantation
Elimination
Azote
Nitrification
Dénitrification
Elimination
Phosphore
chimique
biologique
Désinfection
Cl2, O3, UV
Stabilisation biologique
ou chimique
Epaissisement gravitaire
ou flottation
déshydratation
filtration
centrifugation
séchage
incinération
décharge
épandage
Boues
Rejet
rivière
nappes
mer
épandage
FILIERES DE TRAITEMENT
D’après Boeglin, Techniques de l’Ingénieur
LES PRINCIPAUX CRITÈRES DE POLLUTION
Pollution Particulaire: les Matières en Suspension
• Matières sèches
Pollution Organique: DBO, DCO
• 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, 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 :
• Charge volumique appliquée :
• Temps de passage :
• Age de boue :
VX
QlCm 0
V
QlCv 0
Q
V
pp XQ
VXTSB
CADRE RÉGLEMENTAIRE
- les lois précisent les valeurs limites des critères de pollution, en concentration et en
rendement d’épuration (Directive européenne du 21 Mai 1991 pour les ERU)
- la valeur limite est respectée quand au maximum 10% des résultats dépassent cette
valeur, en restant inférieurs à deux fois cette valeur.
- existence de normes spécifiques à certaines zones sensibles à l’eutrophisation.
-contrôles réguliers ou inopinés, selon la quantité brute de pollution générée.
Paramètre Concentration % minimal de réduction
DBO5 25 mgO2/L 70-90%
DCO 125 mgO2/L 75%
MES 35 mg/L 90%
N total* 15 mg/L 80%
P total* 2 mg/L 70-80%
*Rejets en zone sensible, EH entre 10 000 et 100 000
EVOLUTION DES PERFORMANCES DES STATIONS D’ÉPURATION
FLUX REJETÉS APRÈS TRAITEMENT ÉVENTUEL
DANS UNE STATION D’ÉPURATION INDUSTRIELLE
LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES EAUX USÉES
Traitement aérobie (boues activées)
MO + µorganismes + O2 µorganismes + CO2
Traitement anaérobie (méthanisation)
MO + µorganismes µorganismes + CH4 + CO2
Biogaz
100% 50% 50%
100% 7-12% 85-90%
Traitement de la matière organique
PRINCIPES DE L’EPURATION BIOLOGIQUE AEROBIE
Réaction de catabolisme
Réaction d’anabolisme
Oxydation biomasse (respiration endogène)
Bilan Oxygène
Matière organique + Microorganismes + O2 CO2 + H2O + Energie
Matière organique + Microorganismes + O2 + Energie C6H5O2N + CO2 + H2ONutriments
Nutriments
C6H5O2N + 5O2 5CO2 + 2H2O + NO3- + métabolites réfractaires
(boues en excès)
DCO (soluble) = DCO (biomasse) + O2 (utilisé)
D’après Boeglin, Techniques de l’Ingénieur
ENERGÉTIQUE DU MÉTABOLISME CELLULAIRE
ATP
ADP + P
AnabolismeCatabolisme
Energie
Biomasse
Substrat
Substrat
Produits + CO2 + H2O
D’après Boeglin, Techniques de l’Ingénieur
LE MÉTABOLISME AÉROBIE
O2
Matière organique
Micro-organismesCO2 + H2O
Métabolites réfractaires
(boues en excès)
Oxydation de la Biomasse
(respiration endogène)
Oxydation de la
matière organique
Croissance exponentielle Croissance ralentie Croissance endogène
A B C D
Production de boue
Taux de consommation
de O2
L0
S0
Masse totale
de cellules
DCO résiduelle
PRINCIPES DE L’EPURATION BIOLOGIQUE AEROBIE
D’après Boeglin, Techniques de l’Ingénieur
RAPPEL : CINÉTIQUE MICROBIENNE
XrX Y
XrS
blK
lm
rx : vitesse de croissance (g.L-1h-1),
µ : taux de croissance (h-1),
µm : taux de croissance maximal
X : concentration en biomasse (g/L)
rs : vitesse de consommation du substrat (g.L-1h-1)
Y : rendement en biomasse (kgMVS.kdDBO-1)
b : mortalité des cellules (j-1)
INFLUENCE DES CONDITIONS PHYSICO-CHIMIQUE SUR LES BOUES ACTIVEES
pH
6,5 - 8,5
Température
Influence directe sur la vitesse des réactions biologiques
Oxygène dissous
Substrat des microorganismes, importance du transfert
Facteurs nutritionnels
Macro-éléments : 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
dégrillage dessablage déshuilage
Bassin de
Boues activées
Décanteur
Traitement des boues
Silo à boues
Poste de
relèvement
Départ des
eaux épurées
Recyclage
boues
DIFFÉRENTS TYPES DE PROCÉDÉS À BOUES ACTIVÉES
Désignation
Charge Massique
(kgDBO5.kgMVS-1.j-1)
Charge
Volumique
(kgDBO5.m-3.j-1)
Concentration
en Boues
(kgMVS.m-3)
Age de
Boues (j) Remarques
<0,10 >90%Faible
Charge <0,07
<0,35 4 10 à 30
Nit. possible
Moyenne
Charge
0,15<Cm<0,4 0,5<Cv<1,5 3 4 à 10 80 à 90 %
Forte Charge 0,4<Cm<1,2 1,5<Cv<3 2 à 3 1,5 à 4 90%
NB: Les procédés à faible charge sont aussi appelé Aération prolongée
DIMENSIONNEMENT DU BASSIN D’AÉRATION DES STEP
Q, l0, X0
(1+r)Q, lf, X (1-e)Q, lf, Xs
lf, X
= taux d’épaississement des boues (3 en général)
r = taux de recirculation
e = taux d’extraction
eQ
rQ
DIMENSIONNEMENT DES STEP- BESOINS EN OXYGÈNE
Besoins en O2 (kg.j-1) = a’DL + b’Ba
Avec DL = quantité de DBO éliminée dans le bassin (kg.j-1)
Ba = quantité de boues activées dans le bassin (kgMVS)
O2 (kg.j-1) = a ’Q(l0-lf) + b ’XV
Forte charge Moyenne charge Faible charge
Cm (kgDBO kgMVS.j-1
) 0,5 - 1 0,1 - 0,5 < 0,1
(h) 2 - 4 4 - 11 24
K’ (h-1
) 1 0,4 0,3
Y 0,6
b (j-1
) 0,05
a’ (kgO2.kgDBO.j-1
) 0,5 0,55 0,66
b’ (kgO2.kgMVS.j-1
) 0,12 0,08 0,07
X (kgMVS.m-3
) 2,5 3 4
3
DIMENSIONNEMENT DES STEP
PRODUCTION DE BOUES
B = Bmin + Bdur + YQ(l0-lf) - bXV - Beff
B : boues en excès (kgMES.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)
Capacité : 2300 EH
http://www.aide.be/step_serv_am/bola.html
Vue générale de la station d’épuration urbaine du Bola (Belgique)
http://www.aide.be/step_serv_am/bola.html
Bassin d’aération
(400 m3)
Clarificateur secondaire
(150 m3)
http://www.aide.be/step_serv_am/bola.html
ECOSYSTEME DES BOUES AEROBIES
Bactéries
Bâtonnets Gram- : coliformes, Enterobacter, Pseudomonas, Achromobacter,
Flavobacterium, Zooglea
Bactéries Gram+ : Micrococcus, Arthrobacter, corynéformes, mycobactéries
Levures et champignons filamenteux
Présents en faibles quantités
Protozoaires
Rhizopodes ou amibes
Ciliés comme Vorticella, Epistylis, Apidisca, Opercularia,...
Métazoaires
Organismes pluricellulaires comme les rotifères et les nématodes (vers).
PROTOZOAIRES DANS LES BOUES ACTIVEES
THEORIES EXPLICATIVES SUR LA FORMATION DES FLOCS
•Phénomènes d’attraction à la surface 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
Bactéries
Gram - filamenteuses (à trichome) : Sphaerotilus natans, Beggiota, Thiotrix, Microthrix
Gram+ : Bacillus
Champignons filamenteux
Geotrichum candidum, Leptomitus, Cephalosporium, Cladosporium, Penicillium
Thiotrix Microthrix parvicella
LES MICROORGANISMES RESPONSABLES DU FOISONNEMENT
BOUES ACTIVEES ET FOISONNEMENT (BULKING)
METAZOAIRES DANS LES BOUES ACTIVEES
Nématodes
Rotifères
PROBLEME DE MOUSSES DANS LES BOUES ACTIVEES
LES MICROORGANISMES RESPONSABLES DU FOISONNEMENT
Champignons filamenteux
Amélioration de la rétention de biomasse
- Augmenter la concentration en microorganismes dans le réacteur
- Améliorer la qualité du rejet (MES)
Bioréacteurs à membranes (BRM)
Réacteur à biomasse immobilisée (biofilms)
Charge massique :
XV
SQ
M
F
LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM)
Perméat Perméat
Boues
en excès
Boues
en excès
Eau usée Eau usée
Membranes externes Membranes immergées
Membranes tubulaires ou planes
Filtration tangentielle (1-4 kWh.m-3)
Jusqu’à 30 gMES/L (8-15)
Prétraitement poussé nécessaire
Fréquence de lavage élevée
Appliquée aux ERI (lixiviats)
Membranes fibres creuses (2/3) ou planes (1/3)
Filtration par dépression (0,4-1 kWh.m-3)
6-12 gMES/L
Prétraitement poussé nécessaire
Fréquence de lavage faible
Appliquée aux ERI et ERU
LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM)
Le développement des BRM en Europe (Kraume et Drews, 2010)
LE BIORÉACTEUR À MEMBRANES (BRM)
Evolution des coûts de fonctionnement et de maintenance (Kraume et Drews, 2010)
LE BRM APPLIQUÉ AUX ERU
Qualité du rejet très élevée : - rejet en zone sensible,
- possibilité de recyclage de l’eau traitée
Mais : coût plus élevé, capacité d’aération inférieure aux BA (viscosité)
Développement très important : - marché multiplié par 10 en 5 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 de Nordkanal
(Allemagne) traite 80 000 EH
RÉACTEURS À BIOMASSE FIXÉE
• Biofilm
PROCÉDÉS À BIOFILM
Avantages
- Charge volumique éliminée élevée
- Compacité (emprise au sol, couverture)
- Modularité
- Robustesse (inhibiteurs, chocs) : diversité?
Mais
- Frais d’investissement plus élevés
- Automatisation nécessaire
- Durée de colonisation des matériaux support
- Limitations de l’apport en substrats
- Colmatage (lit fixe)
PROCÉDÉS À BIOMASSE FIXÉE
BIOFILM
Possibilité de développement de bactéries autotrophes près
du support (Nitrification)
support
biofilm
anaérobie aérobie
O2
DBO5
CO2
sous-produits
Garnissages utilisés en lits bactériens
- garnissages ordonnés (auto-supportés)cloisonyle™
- garnissages vrac
flocorAnneaux pall
surfaces
spécifiques
As : de 60 à
250 m2.m-3.
Effluent
à traiter
Recirculation
Effluent
traité
Garnissage
Répartition par sprinkler
LE LIT BACTERIEN
LE LIT BACTERIEN
http://www.carteleau.org
• On fait ruisseler l'eau sur un matériau développant de la surface spécifique (50-200 m2/m3)
• Matériau naturel (gravier, roche volcanique) ou synthétique (PVC, PE, PP)
• Ventilation naturelle ou forcée
• Nécessité d’avoir un arrosage optimal pour:
- ne pas assécher le biofilm, ne pas le noyer (pour l’apport d ’oxygène)
- permettre la croissance du 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 industriels fortement chargés, utilisation d’un lit bactérien (i.e.
abattement de 50% de la charge) avant un traitement par boues activées.
• Capacité : 4-10 gDBO/m2.j soit 0,1-1 kgDBO/m3.j
• Nitrification possible en un ou deux étages
• Dénitrification possible avec lit bactérien non aéré ou noyé
LE LIT BACTERIEN
LE LIT BACTERIEN
Lit Bactérien
DIMENSIONNEMENT
n
h
s
f
Q
HKA
l
lexp
0
H: hauteur du lit (m)
As: surface spécifique en m2.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,
ERU: 0,0226
ERI Abattoirs : 0,0082
Conserverie fruits-légumes : 0,01530
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Volume de matériau (m3.m-3 d’eau traitée)
Conversion en DBO5
ERU
Abattoirs
LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS
Décanteur
primaire
Décanteur
final
Boues en excès
Eau traitéeEau brute
Boues
LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS
http://www.carteleau.org
LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS
• Observation au 19ieme 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 du biofilm 1 à 3 mm
- diamètre 2 à 4 m
- vitesse de 1 à 2 t/minute
- espacement entre les disques 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 m2 /m 3
- sur arbre de 7,5 m: jusqu'à 9300m2
- ajout de godets et injection d'air pour entraîner la rotation.
• Les disques doivent être couverts: protection contre les intempéries pluie, gel, soleil.
• Capacité : en DBO soluble: 15 à 30 g /m2.jour : charge hydraulique: de 0,04 à 0,16 m3/m2.jour
LES DISQUES BIOLOGIQUES ROTATIFS
BIOFILTRES ET LIT FLUIDISES
S
A
S
A
A
S
Biofiltre ascendant Biofiltre descendant Lit fluidisé
LES BIOFILTRES
Procédé d'épuration de l'eau usée à culture de bactéries fixées
utilisant un matériau granulaire en tant que support assurant la
filtration et la dégradation biologique
http://www.carteleau.org
LES BIOFILTRES
• 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 m2 /m3)
• Absence de clarificateur secondaire: les eaux de lavage concentrées en
biomasse sont acheminées directement au traitement des boues.
• Capacité : 2-10 kg DCO/ m3.j
Biofiltres :le Biofor®
www.degremont.com
Biofiltres :le Biostyr®
http://www.veoliawaterst.com/biostyr/fr/
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 dans le biofilm
Peu de limitation au transfert du substrat
Aucun effet du décanteur 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, on peut se passer de décanteur secondaire
Décanteur secondaire toujours nécessaire
Conception basée encore sur des relations empiriques car mécanismes complexes dans le biofilm
Nombreux modèles disponibles (et logiciels) pour la conception
Comparaison biomasse fixée-biomasse en suspension
Granules aérobies
- Procédé alimenté en mode 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
Procédés émergents
PRINCIPE DE L’ÉPURATION BIOLOGIQUE ANAÉROBIE
Acides organiques,
alcools, ...
Acétate
B. hydrolytiques
B. acidogènes
B. acétogènes
B. homoacétogènes
A. méthanogènes
acétoclastesA. méthanogènes
hydrogénophiles
Méthanogenèse
Acidogenèse
Acétogenèse
CO2+H2
CH4CO2+CH4
Hydrolyse
Monomères
Macro-molécules
Carbone Organique
100 %
<90 %Ecosystème de la
méthanisation
Biomasse
>10%
Biogaz (CH4 + CO2)
PRINCIPE DE L’ÉPURATION BIOLOGIQUE ANAÉROBIE
HYDROLYSE ET ACIDOGENESE
Bactéries impliquées : Clostridium, Ruminococcus, Bacillus, Escherichia,
Bacteroïdes, Enterobacter, ...
Hydrolyse
Macromolécules Molécules simples
Acidogénèse
AGV, Acide lactique, Alcools, CO2, H2
BACTERIES HOMO-ACETOGENES
C6H12O6 3 CH3COO- + 3 H+ G0’ = -311 KJ/réaction
4H2 + 2HCO3- + H+ CH3COO- + 4 H2O G0’ = -105 KJ/réaction
Bactéries impliquées : Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa...
BACTERIES SYNTROPHES
Bactéries impliquées :
Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophospora et Syntrophus.
Type de réaction Réactifs Produits Energie libre*
(KJ/réaction)
G ' G'
Oxydation d’acide gras Propionate +3H2O Acétate + HCO3- + H+ + 3H2 +74 -1
Oxydation d’alcool Ethanol + H2O Acétate + H+ + 2H2 +2 -44
Oxydation d’acide aminé Alanine + 3H2O Acétate + HCO3- + H+ + NH4
+ + 2H2 +8 -38
Oxydation de composé
aromatique Benzoate + 7H2O 3 Acétate + HCO3- + H+ + H2 +53 -16
* G ' : conditions standard, pH7, 25 C ; G' : conditions identiques à l’exception de pH2=10-4 atm.
LE TRANSFERT 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
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PhylogeneticTree.png
INFLUENCE DES CONDITIONS PHYSICO-CHIMIQUE
SUR LA DIGESTION ANAEROBIE
pH
Neutralité
Température
Mésophile (35-40 C) ou thermophile (55-60 C)
Potentiel d ’oxydo -réduction
Anaérobiose 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
Spécificités
Adaptée pour des concentrations élevées (>2500 mgDBO)
Convient pour ERI, ERU pays chaud
Optimal à 35 C
Faible rendement en biomasse (0,1 à 0,2 kgMVS.kgDBO-1)
Biogaz (70% CH4) valorisable, autonomie énergétique
Taux de croissance faible : démarrages longs
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 « à la mode » périodiquement pour des raisons diverses :
- énergétiques (années 80)
- économiques (années 90: abattement de pollution en ERI)
- écologiques (depuis 98): énergie renouvelable, hygiénisation des boues d’épuration,
réduction des boues d’épuration.
- énergétiques depuis 2006: augmentation du prix de rachat de l’électricité produite à partir
de biogaz
Cellules libres:
CONTACT
ANAEROBIE
R
S
EG
REACTEUR
COMPARTIMENTE
E
S
G
LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION
REACTEUR
A LIT DE BOUES
(UASB)
G
E
S
E: entrée effluent, S: sortie effluent, G: biogaz, R: recyclage
LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION
UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB) REACTOR
http://www.paques.nl/en/biopaq_uasb_anaerobic_treatmenthttp://www.uasb.org/discover/agsb.htm#uasb
UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET (UASB) REACTOR
Charge volumique : 10 à 25 kgDCO/ m3.jour
Vitesse de décantation des granules élevée : 20-50 m/h
Forte densité de biomasse : 20-50 kgMVS/m3
SVI < 20ml/g
Hauteur : 4-6 m
Vitesse ascensionnelle du liquide : 0,5-2 m/h
Brasserie (Belgique), 600 m3/j
Procédé Seghers
EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR
http://www.veoliawaterst.com/biobed-egsb/fr/
EXPANDED GRANULAR SLUDGE BED (EGSB) REACTOR
Charge volumique : 20 à 30 kgDCO/ m3.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 triphasique
http://www.veoliawaterst.com/biobed-egsb/fr/
http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/environmental/paques/
INTERNAL CIRCULATION (IC) REACTOR
INTERNAL CIRCULATION (IC) REACTOR
Charge volumique : 20 à 30 kgDCO/ m3.jour
Hauteur : jusqu’à 25 m mètres
Vitesse ascensionnelle du liquide : 10-20
m/h en bas, 2-10 m/h en haut
http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/environmental/paques/
http://www.uasb.org/discover/granules.htm#granules
GRANULES ANAÉROBIES
GRANULES ANAÉROBIES
Substrat : acétate (Methanosaeta) Substrat : saccharose (mixed
culture)
http://www.uasb.org/discover/granules.htm#granules
granulaire flocculante dispersée
DÉCANTATION DE BOUES ANAÉROBIES
http://www.uasb.org/discover/granules.htm#granules
MODELISATION
Vers la prise en compte de la complexité
microbiologique
Damien Batstone, University of Queensland, Australia
LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION
Cellules fixées:
REACTEUR A
LIT FIXE
(FILTRE ANAEROBIE)
R
E
S
G
BIOFILTRE ANAÉROBIE
LES TECHNOLOGIES DE LA MÉTHANISATION
REACTEURS
A LIT MOBILE
Lit fluidisé ascendant Lit turbulé inverseLit fluidisé inverse
E
E
E
S S
S
GG
G
RR
R(gaz)
LIT FLUIDISÉ, GAS-LIFT
• Augmentation de la surface disponible (support granulaire ou granules)
• Support mis en mouvement
• Pas de colmatage
• Contrôle possible des biofilms (hydrodynamique)
Réacteur fortes
contraintes
Réacteur faibles
contraintes
1
234
5
6
7
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200 µm
200 µm
BIOFILM ANAEROBIE
CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DIGESTEURS
Température
mésophile (35 C) : contrôle nécessaire
pH
- Neutralité
- Pouvoir tampon du milieu ou ajustement (soude, chaux)
Stabilité
- suivi des Acides Gras Volatils (surcharges)
- suivi de la teneur en H2 du biogaz
- développement de systèmes de conduite automatisée
- nécessité de contrôler les apports (N, P, oligo-éléments)
Acidification
Selon les substrats (sucres ou riches en sulfates),
un bac tampon en tête du méthaniseur peut être utilisé
comme réacteur d’acidification, cela limite les fluctuations
de pH, ainsi que la prolifération des bactéries fermentaires
acidogènes dans le réacteur.
Biogaz
- valorisable en place (chaudières, cogénération, injection du gaz dans le
réseau)
- combustion (torchères)
Démarrage des digesteurs
- ensemencement massif pour les cellules libres
- boues acclimatées, digesteurs ERU, lisiers (porcs, bovins)
- plus délicat pour les cellules fixées (adhésion)
- augmentation progressive de la charge
CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DES DIGESTEURS
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
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 industriels
Potentialités des réacteurs aux fortes charges
Réacteurs à lit mobiles: > 100 kgDCO.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
entraîne une économie de 90 000 €/an pour l’installation.
PERFORMANCES DES DIGESTEURS