FR3079228A1 - METHOD FOR SIMULTANEOUS REDUCTION OF N, P, S IN ORGANIC MATTER AND DEVICE FOR TREATING ORGANIC MATTER - Google Patents
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Abstract
L invention concerne un procédé de réduction simultanée des éléments chimiques N, P, S présents dans une matière organique (11), comprenant les étapes suivantes : • première étape de traitement thermique de la matière organique (11) dans une unité de traitement thermique (12) formant un hydrolysat (13), • deuxième étape de formation de gypse (14) par précipitation de l'élément chimique S présent sous forme d'ion sulfate dans l'hydrolysat (13) dans un dispositif de précipitation (9), • troisième étape de formation de struvite (16) par précipitation de l'élément N présent sous forme d'ammonium et de l'élément P présent sous forme d'ion phosphate et d'un élément Mg présent sous forme d'ion magnésium dans l'hydrolysat (13) dans le dispositif de précipitation (9), • quatrième étape d'alimentation d'un dispositif de digestion anaérobie (8) avec l'hydrolysat (13) duquel le gypse (14) et la struvite (16) ont été au moins partiellement prélevés. L'invention concerne aussi un dispositif de traitement de la matière organique.The invention relates to a process for the simultaneous reduction of the N, P, S chemical elements present in an organic material (11), comprising the following steps: • first step of thermal treatment of the organic material (11) in a heat treatment unit ( 12) forming a hydrolyzate (13), • second step of forming gypsum (14) by precipitation of the chemical element S present in sulphate ion form in the hydrolyzate (13) in a precipitation device (9), Third step of forming struvite (16) by precipitation of the element N present in ammonium form and of the element P present in the form of a phosphate ion and an Mg element present in the form of a magnesium ion in the hydrolyzate (13) in the precipitation device (9), • the fourth step of feeding an anaerobic digestion device (8) with the hydrolyzate (13) of which the gypsum (14) and the struvite (16) have been at least partially removed. The invention also relates to a device for treating organic matter.
Description
PROCEDE DE REDUCTION SIMULTANEE DE N, P, S DANS LA MATIERE ORGANIQUE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE LA MATIERE ORGANIQUEMETHOD FOR SIMULTANEOUS REDUCTION OF N, P, S IN ORGANIC MATERIAL AND DEVICE FOR TREATING ORGANIC MATERIAL
L’invention se situe dans le domaine de traitement thermique de la matière organique, des biodéchets et plus particulièrement des boues primaires, mixtes ou biologiques des stations d’épuration municipales et industrielles.The invention is in the field of heat treatment of organic matter, bio-waste and more particularly primary, mixed or biological sludge from municipal and industrial treatment plants.
Dans cette demande, l’invention sera présentée dans le cas de boues issues d’une station d’épuration. Néanmoins, l’invention s’applique à tout type de déchets organiques.In this application, the invention will be presented in the case of sludge from a treatment plant. However, the invention applies to all types of organic waste.
Les boues issues des stations d’épuration contiennent différents éléments chimiques dont l’azote N, le phosphore P et le soufre S. Ces éléments chimiques peuvent faire partie de nutriments faisant l’objet d’une récupération en vue d’une valorisation ultérieure, par exemple sous forme d’engrais, et/ou peuvent être non-souhaités.The sludge from treatment plants contains different chemical elements including nitrogen N, phosphorus P and sulfur S. These chemical elements can be part of nutrients which are subject to recovery with a view to later recovery, for example as a fertilizer, and / or may be unwanted.
Le soufre n’est pas désirable. Présent dans les boues, il va se libérer dans le digesteur anaérobie, en plus du biogaz, en tant que co-produit sous forme de sulfure d’hydrogène H2S qui est toxique et a une odeur nauséabonde. Généralement, une phase de désulfuration en aval du procédé de traitement doit avoir lieu pour éliminer, ou tout au moins réduire, ce composé indésirable. Une autre alternative consiste à ajouter du chlorure ferrique dans le digesteur anaérobie ou en amont de la digestion pour faire précipiter le sulfate afin qu’il ne soit pas disponible à une transformation en H2S dans le digesteur.Sulfur is not desirable. Present in the sludge, it will be released in the anaerobic digester, in addition to the biogas, as a co-product in the form of hydrogen sulfide H 2 S which is toxic and has a foul odor. Generally, a desulphurization phase downstream of the treatment process must take place to eliminate, or at least reduce, this undesirable compound. Another alternative is to add ferric chloride to the anaerobic digester or upstream of digestion to precipitate the sulfate so that it is not available for transformation into H 2 S in the digester.
La problématique du phosphore est la protection du digesteur. Après la digestion, lors du transfert des boues, il va se produire un dégazage de dioxyde de carbone résultant en une augmentation assez brusque du pH. En présence de magnésium, ammonium et phosphate dans des conditions équimolaires, cela peut conduire à une réaction de précipitation de struvite non souhaitée car la struvite peut boucher les tuyauteries et peut détruire les pompes.The problem with phosphorus is the protection of the digester. After digestion, during the transfer of the sludge, there will be a degassing of carbon dioxide resulting in a rather sudden increase in pH. In the presence of magnesium, ammonium and phosphate under equimolar conditions, this can lead to an undesired struvite precipitation reaction because the struvite can clog the pipes and can destroy the pumps.
Quand on alimente un digesteur avec des boues, l’azote est libéré en acides aminés. L’azote est réduit et libéré sous forme d’azote ammoniacal. Le problème est qu’avec un pré-traitement thermique en amont, beaucoup d’azote est libéré, qui se transforme en partie sous forme de NH4 + et NH3 soluble. Ce dernier est inhibiteur pour les populations méthanogènes présentes dans le digesteur anaérobie à partir d’une certaine concentration (60 - 80 mg/L). Il faut alors opérer une mutation de populations qui va prendre plusieurs mois de stabilisation.When you feed a digester with sludge, nitrogen is released into amino acids. Nitrogen is reduced and released as ammonia nitrogen. The problem is that with an upstream heat pretreatment, a lot of nitrogen is released, which is partly transformed into NH 4 + and soluble NH 3 . The latter is an inhibitor for methanogenic populations present in the anaerobic digester from a certain concentration (60 - 80 mg / L). It is then necessary to operate a mutation of populations which will take several months of stabilization.
Par ailleurs, les retours de digestion en tête de station sont très chargés en azote. Cela nécessite une surconsommation en oxygène pour l’évacuation de l’ammoniac en di-azote. Il en résulte une augmentation de la consommation énergétique de la station.In addition, the digestion returns at the head of the station are very loaded with nitrogen. This requires an overconsumption of oxygen for the evacuation of ammonia into di-nitrogen. This results in an increase in the energy consumption of the station.
Il existe des procédés de traitement de boues, mais chacun d’eux se concentre sur la réduction d’un élément chimique à la fois, c’est-à-dire le phosphore ou l’azote ou le soufre.There are methods of treating sludge, but each of them focuses on reducing one chemical element at a time, that is, phosphorus or nitrogen or sulfur.
Par exemple, un procédé de dé-ammonification permet de traiter les concentrations d’ammonium générées par la digestion anaérobie des boues en tête de station. Il s’agit d’un procédé de traitement en aval de la digestion anaérobie. Comme indiqué précédemment, ce traitement n'empêche pas la mutation de la population microbienne en raison de la toxicité du NH3 dans le digesteur en présence d’un pré-traitement thermique des boues. Ce dernier est connu pour augmenter la teneur en ammonium dans les boues digérées lors du traitement des boues biologiques.For example, a de-ammonification process makes it possible to treat the ammonium concentrations generated by the anaerobic digestion of the sludge at the head of the station. It is a treatment process downstream from anaerobic digestion. As indicated previously, this treatment does not prevent the mutation of the microbial population due to the toxicity of NH 3 in the digester in the presence of a thermal pre-treatment of the sludge. The latter is known to increase the ammonium content in digested sludge during the treatment of biological sludge.
Une autre technologie consiste à réduire le phosphore en aval du digesteur. Il existe alors un risque de précipitation de struvite non contrôlée pouvant avoir des effets néfastes dans le digesteur ou dans les tuyaux de l’installation.Another technology is to reduce phosphorus downstream of the digester. There is then a risk of precipitation of uncontrolled struvite which can have harmful effects in the digester or in the pipes of the installation.
Enfin le sulfure d’hydrogène formé peut être traité biologiquement ou chimiquement. Ce traitement a lieu sur le biogaz produit par le digesteur. Une autre possibilité est d’injecter du chlorure ferrique dans le digesteur.Finally, the hydrogen sulfide formed can be treated biologically or chemically. This treatment takes place on the biogas produced by the digester. Another possibility is to inject ferric chloride into the digester.
Mais cela n'empêche pas les bactéries sulfato-réductrices de consommer du carbone, qui peut être en compétition avec les populations méthanogènes en cas de forte teneur en sulfate dans les boues entrantes.However, this does not prevent the sulphate-reducing bacteria from consuming carbon, which can be in competition with methanogenic populations in the event of a high sulphate content in the incoming sludge.
Autrement dit, il est nécessaire de mettre en œuvre plusieurs technologies de traitement et plusieurs installations pour la réduction de chacun des éléments chimiques N, P, S dans les boues, ce qui augmente considérablement le coût d’un tel procédé de traitement des boues.In other words, it is necessary to implement several treatment technologies and several installations for the reduction of each of the chemical elements N, P, S in the sludge, which considerably increases the cost of such a sludge treatment process.
Par ailleurs, on peut noter que l’art antérieur prévoit une technologie de traitement des espèces chimiques après leur formation dans le digesteur. L’art antérieur traite le problème de façon curative plutôt que d’agir en prévention.Furthermore, it can be noted that the prior art provides a technology for treating chemical species after their formation in the digester. The prior art treats the problem curatively rather than acting in prevention.
L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut.The invention aims to overcome all or part of the problems mentioned above.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de réduction simultanée des éléments chimiques N, P, S présents dans une matière organique, comprenant les étapes suivantes :To this end, the subject of the invention is a process for the simultaneous reduction of the chemical elements N, P, S present in an organic material, comprising the following steps:
• première étape de traitement thermique de la matière organique dans une unité de traitement thermique formant un hydrolysat, • deuxième étape de formation de gypse par précipitation de l’élément chimique S présent sous forme d’ion sulfate dans l’hydrolysat dans un dispositif de précipitation, • troisième étape de formation de struvite par précipitation de l’élément N présent sous forme d’ammonium et de l’élément P présent sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent sous forme d’ion magnésium dans l’hydrolysat dans le dispositif de précipitation, • quatrième étape d’alimentation d’un dispositif de digestion anaérobie avec l’hydrolysat duquel le gypse et la struvite ont été au moins partiellement prélevés.• first stage of thermal treatment of organic matter in a thermal treatment unit forming a hydrolyzate, • second stage of gypsum formation by precipitation of the chemical element S present in the form of sulfate ion in the hydrolyzate in a device for precipitation, • third stage of struvite formation by precipitation of the element N present in the form of ammonium and of the element P present in the form of phosphate ion and of an element Mg present in the form of magnesium ion in l hydrolyzate in the precipitation device, • fourth step of supplying an anaerobic digestion device with the hydrolyzate from which the gypsum and struvite were at least partially removed.
Ce procédé de traitement des boues permet la réduction simultanée des éléments chimiques N, P, S en amont du digesteur. Ce procédé représente une action préventive directement après le traitement thermique des boues quand l’hydrolysat (i.e. boues hydrolysées) issu du traitement thermique est encore très fluide dû à sa faible viscosité à ce stade du traitement, facilitant ainsi son mélange, pompage et aération.This sludge treatment process allows the simultaneous reduction of the chemical elements N, P, S upstream of the digester. This process represents a preventive action directly after the thermal treatment of the sludge when the hydrolyzate (i.e. hydrolysed sludge) resulting from the thermal treatment is still very fluid due to its low viscosity at this stage of the treatment, thus facilitating its mixing, pumping and aeration.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend avant la deuxième et la troisième étapes une étape d’addition dans le dispositif de précipitation d’au moins un agent de précipitation, préférentiellement un oxyde de calcium et magnésium, et encore préférentiellement la chaux magnésienne. L’oxyde de calcium et magnésium constitue un seul additif et permet une co-précipitation et/ou une précipitation séquentielle du phosphate et du sulfate.According to one embodiment, the method according to the invention comprises before the second and the third steps a step of adding to the precipitation device at least one precipitation agent, preferably a calcium and magnesium oxide, and more preferably magnesian lime. Calcium and magnesium oxide is a single additive and allows co-precipitation and / or sequential precipitation of phosphate and sulfate.
Selon un autre mode de réalisation, la deuxième étape et la troisième étape se réalisent dans un seul réacteur dans le dispositif de précipitation ou bien la deuxième étape se réalise dans un premier réacteur et la troisième étape se réalise dans un deuxième réacteur dans le dispositif de précipitation. Cela permet de contrôler la précipitation de chaque espèce ainsi obtenue.According to another embodiment, the second stage and the third stage are carried out in a single reactor in the precipitation device or else the second stage is carried out in a first reactor and the third stage is carried out in a second reactor in the precipitation device precipitation. This makes it possible to control the precipitation of each species thus obtained.
Selon un mode particulier de l’invention, la deuxième étape et la troisième étape sont réalisées de façon simultanée. Cela permet de travailler en mode continu.According to a particular embodiment of the invention, the second step and the third step are carried out simultaneously. This allows you to work in continuous mode.
Avantageusement, l’étape d’addition du au moins un agent de précipitation dans le dispositif de précipitation est caractérisée en ce que la quantité d’agent de précipitation est calculée en fonction d’une mesure du pH dans le dispositif de précipitation. Cela permet de contrôler l’addition de l’agent de précipitation pour l’introduire en quantité adéquate dans le dispositif de précipitation.Advantageously, the step of adding the at least one precipitation agent to the precipitation device is characterized in that the quantity of precipitation agent is calculated as a function of a pH measurement in the precipitation device. This makes it possible to control the addition of the precipitation agent so as to introduce it in an adequate quantity into the precipitation device.
Avantageusement, l’étape d’addition du au moins un agent de précipitation dans le dispositif de précipitation est caractérisée en ce que la quantité d’agent de précipitation est calculée en fonction d’une mesure de la concentration de l’ion ammonium dans le dispositif de précipitation. Cela permet également de contrôler l’addition de l’agent de précipitation pour l’introduire en quantité adéquate dans le dispositif de précipitation.Advantageously, the step of adding the at least one precipitation agent to the precipitation device is characterized in that the quantity of precipitation agent is calculated as a function of a measurement of the concentration of the ammonium ion in the precipitation device. This also makes it possible to control the addition of the precipitation agent so as to introduce it in an adequate quantity into the precipitation device.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend une étape d’addition d’un sel de phosphate si la concentration de l’ion ammonium mesurée dans le dispositif de précipitation est supérieure à une concentration prédéfinie. Cette étape permet de réduire la concentration de l’ion ammonium s’il s’avère être en excès.According to another embodiment of the invention, the method comprises a step of adding a phosphate salt if the concentration of the ammonium ion measured in the precipitation device is greater than a predefined concentration. This step reduces the concentration of the ammonium ion if it turns out to be in excess.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre une étape d’échange de chaleur issue de l’hydrolysat après la première étape de traitement thermique, et dirigée en aval du dispositif de précipitation. Cette étape de récupération de chaleur permet de réchauffer le flux de boues en aval du dispositif de précipitation et entrant dans le dispositif de digestion anaérobique si celui-ci a été trop refroidi pendant les étapes de précipitation de gypse et de struvite.According to another embodiment, the method according to the invention may include a step of exchanging heat from the hydrolyzate after the first step of heat treatment, and directed downstream of the precipitation device. This heat recovery step makes it possible to heat the sludge flow downstream of the precipitation device and entering the anaerobic digestion device if the latter has been too cooled during the gypsum and struvite precipitation steps.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend une étape de digestion anaérobie, cette étape de digestion anaérobie formant des boues digérées destinées à alimenter l’unité de traitement thermique en matière organique, et se réalisant dans un dispositif de digestion anaérobie. La digestion anaérobie après un traitement thermique et précipitation permet d’augmenter la production du biogaz par rapport à une digestion standard du fait qu’il y a moins de compétition entre les bactéries méthanogènes et sulfato-réductrices.According to another embodiment, the method according to the invention comprises an anaerobic digestion step, this anaerobic digestion step forming digested sludge intended to supply the heat treatment unit with organic matter, and being carried out in a digestion device anaerobic. Anaerobic digestion after heat treatment and precipitation makes it possible to increase the production of biogas compared to a standard digestion because there is less competition between methanogenic and sulphate-reducing bacteria.
L’invention concerne aussi un procédé de réduction simultanée des éléments chimiques N, P, S présents dans une matière organique, comprenant :The invention also relates to a process for the simultaneous reduction of the chemical elements N, P, S present in an organic matter, comprising:
• une unité de traitement thermique, destiné à recevoir la matière organique et former un hydrolysat, • un dispositif de précipitation en sortie de l’unité de traitement thermique, et configuré de sorte que, quand le dispositif de réduction opère,• a heat treatment unit, intended to receive the organic matter and form a hydrolyzate, • a precipitation device at the outlet of the heat treatment unit, and configured so that, when the reduction device operates,
- du gypse se forme par précipitation d’un élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans un hydrolysat issu de l’unité de traitement thermique, et- gypsum is formed by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in a hydrolyzate from the heat treatment unit, and
- de la struvite se forme par précipitation d’un élément N présent dans l’hydrolysat sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion magnésium, • un dispositif de digestion anaérobie en sortie du dispositif de précipitation et configuré à être alimenté par l’hydrolysat duquel le gypse et la struvite ont été au moins partiellement prélevés.- struvite is formed by precipitation of an element N present in the hydrolyzate in the form of ammonium and of an element P present in the hydrolyzate in the form of phosphate ion and of an element Mg present in the hydrolyzate in the form of magnesium ion, • an anaerobic digestion device at the outlet of the precipitation device and configured to be supplied with the hydrolyzate from which the gypsum and struvite were at least partially removed.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de précipitation peut comprendre un réacteur configuré de sorte que, quand le dispositif opère, du gypse se forme dans le réacteur par précipitation d’un élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans l’hydrolysat issu de l’unité de traitement thermique, et de la struvite se forme dans le réacteur par précipitation d’un élément N présent dans l’hydrolysat sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion magnésium.According to one embodiment, the precipitation device can comprise a reactor configured so that, when the device operates, gypsum is formed in the reactor by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in the hydrolyzate from the heat treatment unit, and struvite is formed in the reactor by precipitation of an element N present in the hydrolyzate in the form of ammonium and of an element P present in the hydrolyzate in the form of phosphate ion and an Mg element present in the hydrolyzate in the form of a magnesium ion.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de précipitation peut comprendre un premier réacteur configuré de sorte que, quand le dispositif de réduction opère, du gypse se forme dans le premier réacteur par précipitation d’un l’élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans l’hydrolysat issu de l’unité de traitement thermique, et un deuxième réacteur configuré de sorte que, quand le dispositif de réduction opère, de la struvite se forme dans le deuxième réacteur par précipitation d’une l’élément N présent dans l’hydrolysat sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat sous forme d’ion magnésium.According to another embodiment, the precipitation device can comprise a first reactor configured so that, when the reduction device operates, gypsum is formed in the first reactor by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in the hydrolyzate from the heat treatment unit, and a second reactor configured so that, when the reduction device operates, struvite is formed in the second reactor by precipitation of an element N present in the hydrolyzate in the form of ammonium and of an element P present in the hydrolyzate in the form of phosphate ion and of an element Mg present in the hydrolyzate in the form of magnesium ion.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend un injecteur relié au dispositif de précipitation configuré pour additionner, dans le dispositif de précipitation, au moins un agent de précipitation, préférentiellement un oxyde de calcium et magnésium, et encore préférentiellement de la chaux magnésienne.According to another embodiment, the device according to the invention comprises an injector connected to the precipitation device configured to add, to the precipitation device, at least one precipitation agent, preferably a calcium and magnesium oxide, and still preferably of magnesian lime.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comprendre un pH-mètre configuré pour mesurer le pH dans le dispositif de précipitation et un doseur du au moins un agent de précipitation configuré pour additionner le au moins un agent de précipitation dans le dispositif de précipitation en fonction de la mesure de pH dans le dispositif de précipitation.According to another embodiment of the invention, the device can include a pH meter configured to measure the pH in the precipitation device and a metering device of the at least one precipitation agent configured to add the at least one precipitation agent in the precipitation device as a function of the pH measurement in the precipitation device.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comprendre un dispositif de mesure de la concentration d’ammonium dans le dispositif de précipitation et un doseur du au moins un agent de précipitation configuré pour additionner le au moins un agent de précipitation dans le dispositif de précipitation en fonction de la concentration d’ammonium dans le dispositif de précipitation.According to another embodiment of the invention, the device can comprise a device for measuring the ammonium concentration in the precipitation device and a metering device for the at least one precipitation agent configured to add the at least one precipitation agent in the precipitation device as a function of the ammonium concentration in the precipitation device.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le dispositif peut comprendre un injecteur de sel de phosphate relié au dispositif de précipitation de sorte à additionner du sel de phosphate dans le dispositif de précipitation si la concentration de l’ion ammonium mesurée dans le dispositif de précipitation est supérieure à une concentration prédéfinie.According to another embodiment of the invention, the device can comprise a phosphate salt injector connected to the precipitation device so as to add phosphate salt to the precipitation device if the concentration of ammonium ion measured in the precipitation device is greater than a predefined concentration.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention peut comprendre un échangeur de chaleur entre l’unité de traitement thermique et le dispositif de précipitation, et/ou entre le dispositif de digestion anaérobie et le dispositif de précipitation, configuré pour récupérer la chaleur issue de l’hydrolysat après la première étape de traitement thermique, et/ou pour récupérer la chaleur issue du dispositif de digestion anaérobie, et pour diriger la chaleur vers le dispositif de précipitation.Advantageously, the device according to the invention may comprise a heat exchanger between the heat treatment unit and the precipitation device, and / or between the anaerobic digestion device and the precipitation device, configured to recover the heat from the hydrolyzate after the first heat treatment step, and / or to recover the heat from the anaerobic digestion device, and to direct the heat to the precipitation device.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le dispositif de digestion anaérobie comprend une entrée en connexion avec une sortie du dispositif de précipitation et une sortie en connexion avec une entrée de l’unité de traitement thermique en matière organique. Ou bien le dispositif de digestion anaérobie comprend un premier digesteur anaérobie comprenant une entrée en connexion avec la sortie du dispositif de précipitation et un deuxième digesteur anaérobie comprenant une sortie en connexion avec une entrée de l’unité de traitement thermique en matière organique.According to another embodiment of the invention, the anaerobic digestion device comprises an inlet connected to an outlet of the precipitation device and an outlet connected to an inlet of the heat treatment unit for organic matter. Or the anaerobic digestion device comprises a first anaerobic digester comprising an inlet connected to the outlet of the precipitation device and a second anaerobic digester comprising an outlet connected to an inlet of the heat treatment unit for organic matter.
L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel :The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the detailed description of an embodiment given by way of example, description illustrated by the attached drawing in which:
- la figure 1 représente schématiquement les étapes du procédé de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention,FIG. 1 schematically represents the steps of the process for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic matter according to the invention,
- la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique comprenant un seul réacteur de précipitation selon l’invention,FIG. 2 schematically represents an embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter comprising a single precipitation reactor according to the invention,
- la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique comprenant deux réacteurs de précipitation selon l’invention,FIG. 3 schematically represents another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter comprising two precipitation reactors according to the invention,
- la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention,FIG. 4 schematically represents another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter according to the invention,
- la figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention,FIG. 5 schematically represents another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter according to the invention,
- la figure 6 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention,FIG. 6 schematically represents another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter according to the invention,
- la figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention,FIG. 7 schematically represents another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter according to the invention,
- la figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention.- Figure 8 schematically shows another embodiment of a device for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter according to the invention.
Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.For the sake of clarity, the same elements will have the same references in the different figures.
La figure 1 représente schématiquement les étapes du procédé de réduction simultanée de N, P, S dans une matière organique 11 selon l’invention. Selon l’invention, le procédé comprend une première étape 101 de traitement thermique de la matière organique 11 dans une unité de traitement thermique 12 formant un hydrolysat 13. Le procédé comprend une deuxième étape 102 de formation de gypse 14 par précipitation de l’élément chimique S présent sous forme d’ion sulfate dans l’hydrolysat 13 dans un dispositif de précipitation 9, et une troisième étape 103 de formation de struvite 16 par précipitation de l’élément N présent sous forme d’ammonium et de l’élément P présent sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent sous forme d’ion magnésium dans l’hydrolysat 13 dans le dispositif de précipitation 9. Enfin le procédé comprend une quatrième étape 104 d’alimentation d’un dispositif de digestion anaérobie 8 avec l’hydrolysat 13 duquel le gypse 14 et la struvite 16 ont été au moins partiellement prélevés.FIG. 1 schematically represents the steps of the process for the simultaneous reduction of N, P, S in an organic material 11 according to the invention. According to the invention, the method comprises a first step 101 of heat treatment of organic matter 11 in a heat treatment unit 12 forming a hydrolyzate 13. The method comprises a second step 102 of gypsum formation 14 by precipitation of the element chemical S present in the form of sulfate ion in the hydrolyzate 13 in a precipitation device 9, and a third step 103 of struvite formation 16 by precipitation of the element N present in the form of ammonium and of the element P present in the form of a phosphate ion and an Mg element present in the form of a magnesium ion in the hydrolyzate 13 in the precipitation device 9. Finally, the method comprises a fourth step 104 of supplying an anaerobic digestion device 8 with the hydrolyzate 13 from which the gypsum 14 and the struvite 16 were at least partially removed.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de former du gypse et de la struvite, et donc de réduire la quantité de l’élément phosphore et des éléments azote et soufre présent dans l’hydrolysat. Il en résulte une diminution de la production de sulfure d’hydrogène dans le biogaz formé dans le digesteur anaérobie, du fait de la réduction de l’activité des bactéries sulfato-réductrices via la réduction de l’ion sulfate dans l’hydrolysat qui alimente le digesteur anaérobie. Il est aussi possible de contrôler la quantité d’azote restant que l’on souhaite diriger vers le dispositif de digestion anaérobie.The method according to the invention thus makes it possible to form gypsum and struvite, and therefore to reduce the amount of the phosphorus element and of the nitrogen and sulfur elements present in the hydrolyzate. This results in a decrease in the production of hydrogen sulphide in the biogas formed in the anaerobic digester, due to the reduction in the activity of the sulphate-reducing bacteria via the reduction of the sulphate ion in the hydrolyzate which supplies the anaerobic digester. It is also possible to control the amount of nitrogen that remains to be directed to the anaerobic digestion device.
Avant la deuxième et la troisième étapes 102, 103, le procédé comprend une étape 105 d’addition dans le dispositif de précipitation 9 d’au moins un agent de précipitation 19, 20. Cet agent de précipitation est un réactif qui participe à la ou les réactions chimiques permettant la précipitation du gypse et de la struvite. Bien que d’autres agents de précipitation sont possibles (NaOH, MgCI2 par exemple), préférentiellement cet agent de précipitation est un oxyde de calcium et magnésium, et encore préférentiellement cet agent de précipitation est la chaux magnésienne de formule CaOMgO.Before the second and third steps 102, 103, the method comprises a step 105 of adding to the precipitation device 9 at least one precipitation agent 19, 20. This precipitation agent is a reagent which participates in the or chemical reactions allowing the precipitation of gypsum and struvite. Although other precipitating agents are possible (NaOH, MgCI2 for example), preferentially this precipitating agent is a calcium and magnesium oxide, and still preferentially this precipitating agent is magnesian lime of formula CaOMgO.
Le gypse, de formule CaSO4, se forme par la réaction :Gypsum, of formula CaSO 4 , is formed by the reaction:
Ca2+ + SO42’ + 2H2O CaSO4 + 2H2OCa 2+ + SO4 2 '+ 2H2O CaSO 4 + 2H 2 O
La struvite, de formule MgNH4PO4.6H2O, se forme par la réaction : Mg2+ + NH4+ + PO43’ + 6H2O MgNH4PO4.6H2OStruvite, with the formula MgNH 4 PO 4 .6H 2 O, is formed by the reaction: Mg 2+ + NH4 + + PO4 3 '+ 6H 2 O MgNH 4 PO 4 .6H 2 O
L’addition de la chaux magnésienne en tant qu’agent de précipitation offre l’avantage d’ajouter un seul agent de précipitation. La chaux magnésienne contient à la fois l’élément calcium et l’élément magnésium, tous deux nécessaires pour les réactions de précipitation du gypse et de la struvite. Par la suite, il en résulte aussi l’avantage de n’avoir à doser qu’un seul agent de précipitation.Adding magnesium lime as a precipitation agent has the advantage of adding a single precipitation agent. Magnesium lime contains both the element calcium and the element magnesium, both necessary for the precipitation reactions of gypsum and struvite. Subsequently, this also has the advantage of having to dose only one precipitating agent.
On peut aussi noter que l’ion magnésium présent dans l’hydrolysat est soit déjà présent dans l’hydrolysat et/ou issu de l’agent de précipitation.It can also be noted that the magnesium ion present in the hydrolyzate is either already present in the hydrolyzate and / or derived from the precipitation agent.
Par ailleurs, la deuxième étape et la troisième étape peuvent se réaliser dans un seul réacteur dans le dispositif de précipitation 9 ou bien la deuxième étape peut se réaliser dans un premier réacteur 15 et la troisième étape peut se réaliser dans un deuxième réacteur 17 dans le dispositif de précipitation 9.Furthermore, the second stage and the third stage can be carried out in a single reactor in the precipitation device 9 or else the second stage can be carried out in a first reactor 15 and the third stage can be carried out in a second reactor 17 in the precipitation device 9.
De plus, la deuxième étape 102 et la troisième étape 103 peuvent se réaliser de façon simultanée. Nous parlons alors de co-précipitation de gypse et struvite. Toutefois, la précipitation du gypse et de la struvite peut se réaliser de façon séquentielle.In addition, the second step 102 and the third step 103 can be carried out simultaneously. We then speak of co-precipitation of gypsum and struvite. However, the precipitation of gypsum and struvite can be carried out sequentially.
L’addition de chaux magnésienne présente en outre l’avantage de contribuer à l’alcalinité dans le digesteur anaérobie du fait que les ions calcium en excès vont se combiner avec du dioxyde de carbone dissous pour produire du carbonate de calcium (CaCO3).The addition of magnesium lime also has the advantage of contributing to alkalinity in the anaerobic digester because the excess calcium ions will combine with dissolved carbon dioxide to produce calcium carbonate (CaCO 3 ).
Comme l’agent de précipitation est la chaux magnésienne, il n’y a pas d’addition de MgCI2 comme cela est souvent le cas dans les procédés de précipitation de struvite de l’art antérieur. Cela permet d’empêcher l’accumulation de dichlore (Cl2) dans le digesteur anaérobie, qui est toxique et génère des problèmes de corrosion dans le réservoir en contact avec des eaux usées à fort contenu en chlorite.As the precipitation agent is magnesian lime, there is no addition of MgCl 2 as is often the case in the struvite precipitation processes of the prior art. This prevents the accumulation of chlorine (Cl 2 ) in the anaerobic digester, which is toxic and causes corrosion problems in the tank in contact with wastewater with high chlorite content.
L’étape 105 d’addition de l’agent de précipitation 19 (préférentiellement la chaux magnésienne) dans le dispositif de précipitation 9 peut être caractérisée en ce que la quantité d’agent de précipitation 19 est calculée (étape 106) en fonction d’une mesure du pH dans le dispositif de précipitation 9. La chaux magnésienne CaOMgO apporte à la solution dans le dispositif de précipitation 9 le pH requis, ainsi que les ions Ca2+ et Mg2+. Avec la précipitation du gypse et de la struvite, le pH va diminuer. Ainsi, l’introduction de chaux magnésienne (ou plus généralement d’oxyde de calcium et magnésium) peut être contrôlée par une mesure de pH, continue ou semi-continue, dans le dispositif de précipitation.Step 105 of adding the precipitation agent 19 (preferably magnesium lime) to the precipitation device 9 can be characterized in that the amount of precipitation agent 19 is calculated (step 106) as a function of a measurement of the pH in the precipitation device 9. The magnesium lime CaOMgO provides the solution in the precipitation device 9 with the required pH, as well as the Ca 2+ and Mg 2+ ions. With the precipitation of gypsum and struvite, the pH will decrease. Thus, the introduction of magnesium lime (or more generally of calcium and magnesium oxide) can be controlled by a pH measurement, continuous or semi-continuous, in the precipitation device.
L’étape 105 d’addition de l’agent de précipitation 19 (préférentiellement la chaux magnésienne) dans le dispositif de précipitation 9 peut aussi être caractérisée en ce que la quantité d’agent de précipitation 19 est calculée (étape 107) en fonction d’une mesure de la concentration de l’ion ammonium dans le dispositif de précipitation 9. Il est ainsi possible de contrôler l’addition d’oxyde de calcium et magnésium avec une mesure, continue ou semi-continue, de l’ion ammonium NH4 + dans le dispositif de précipitation 9 et en appliquant un ratio molaire NH4+ : PO42' : Mg2+ de 1 : 1 : (1-3) et en maintenant le pH dans une gamme comprise entreStep 105 of adding the precipitation agent 19 (preferably magnesium lime) into the precipitation device 9 can also be characterized in that the amount of precipitation agent 19 is calculated (step 107) as a function of measurement of the concentration of ammonium ion in the precipitation device 9. It is thus possible to control the addition of calcium and magnesium oxide with a measurement, continuous or semi-continuous, of the ammonium ion NH 4 + in the precipitation device 9 and by applying a molar ratio NH4 + : PO4 2 ': Mg 2+ of 1: 1: (1-3) and maintaining the pH in a range between
7,5 et 9,5.7.5 and 9.5.
Le procédé peut comprendre une étape 108 d’addition d’un sel de phosphate 20 (par exemple du phosphate de potassium) si la concentration de l’ion ammonium mesurée dans le dispositif de précipitation 9 est supérieure à une concentration prédéfinie. Le procédé selon l’invention ne se base pas seulement sur la réduction de l’élément P dans l’hydrolysat, mais aussi sur la réduction simultanée de l’élément N pour obtenir la concentration finale en N, P et S requise. En procédant ainsi, il n’est pas nécessaire d’avoir recours à une mutation de populations microbiennes coûteuse en temps. De plus, cela permet de réduire la quantité de NH3 + et PO42' qui sont retournés en tête de station. Cela permet de réduire les besoins en aération des bassins d’aération. Enfin, le procédé selon l’invention permet le couplage d’un traitement thermique et d’une digestion anaérobie sans problème de toxicité liée au NH3.The method may include a step 108 of adding a phosphate salt 20 (for example potassium phosphate) if the concentration of the ammonium ion measured in the precipitation device 9 is greater than a predefined concentration. The process according to the invention is based not only on the reduction of the element P in the hydrolyzate, but also on the simultaneous reduction of the element N to obtain the required final concentration of N, P and S. By doing so, there is no need to resort to a time-consuming mutation of microbial populations. In addition, this reduces the amount of NH 3 + and PO4 2 'which are returned to the head of the station. This reduces the ventilation requirements of the aeration tanks. Finally, the method according to the invention allows the coupling of a heat treatment and an anaerobic digestion without problem of toxicity linked to NH3.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le procédé peut comprendre une étape 109 d’échange de chaleur issue de l’hydrolysat 13 après la première étape 101 de traitement thermique, et dirigée en aval du dispositif de précipitation 9. L’étape de récupération de chaleur issue de l’hydrolysat 13 en sortie du traitement thermique vers le dispositif de précipitation, en aval du dispositif de précipitation, permet de réchauffer les boues avant qu’elles n’entrent dans le dispositif de digestion anaérobie. Cela contribue à maintenir le digesteur anaérobie à bonne température. L’hydrolysat est souvent plus chaud que les boues dans le digesteur anaérobie et cela est suffisant pour maintenir le digesteur anaérobie à température. Toutefois, lorsque l’unité de traitement thermique est éteinte, l’étape 109 d’échange de chaleur permet d’assurer le maintien de la température optimale dans le digesteur.According to another embodiment of the invention, the method may include a step 109 of heat exchange from the hydrolyzate 13 after the first step 101 of heat treatment, and directed downstream of the precipitation device 9. The heat recovery step from the hydrolyzate 13 at the outlet of the heat treatment to the precipitation device, downstream of the precipitation device, makes it possible to heat the sludge before it enters the anaerobic digestion device. This helps keep the anaerobic digester at the right temperature. The hydrolyzate is often hotter than the sludge in the anaerobic digester and this is enough to keep the anaerobic digester at temperature. However, when the heat treatment unit is switched off, the heat exchange step 109 makes it possible to maintain the optimum temperature in the digester.
Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend une étape 110 de digestion anaérobie, cette étape de digestion anaérobie formant des boues digérées 42 destinées à alimenter l’unité de traitement thermique 12 en matière organique 11, et se réalisant dans un dispositif de digestion anaérobie 8. Cette étape 110 de digestion anaérobie permet de produire du biogaz. L’alimentation de l’unité de traitement 12 par les boues digérées 42 permet en outre de réduire la quantité de boues issues de ce procédé de traitement.Advantageously, the method according to the invention comprises a step 110 of anaerobic digestion, this anaerobic digestion step forming digested sludge 42 intended to supply the thermal treatment unit 12 with organic material 11, and being carried out in an anaerobic digestion device 8. This step 110 of anaerobic digestion makes it possible to produce biogas. The supply of the treatment unit 12 by the digested sludge 42 also makes it possible to reduce the quantity of sludge resulting from this treatment process.
Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend une étape 111 de recirculation d’ammonium présent dans le dispositif de digestion anaérobie 8 vers le dispositif de précipitation 9. Cette étape de recirculation permet d’apporter l’ammonium du dispositif de digestion anaérobique dans le dispositif de précipitation. En sortie de l’unité de traitement thermique, l’azote est essentiellement présent sous forme amine, et pas encore en majorité sous forme ammoniacale. C’est après l’étape de digestion qu’il va être sous forme NH4 +. La recirculation entre le dispositif de digestion anaérobique et le dispositif de précipitation permet d’apporter les ions NH4 + qui interviennent dans la réaction de précipitation de struvite.Advantageously, the method according to the invention comprises a step 111 of recirculation of ammonium present in the anaerobic digestion device 8 to the precipitation device 9. This recirculation step makes it possible to bring the ammonium from the anaerobic digestion device into the precipitation device. At the outlet of the heat treatment unit, the nitrogen is essentially present in the amine form, and not yet in majority in the ammoniacal form. It is after the digestion step that it will be in NH 4 + form . The recirculation between the anaerobic digestion device and the precipitation device makes it possible to supply the NH 4 + ions which are involved in the precipitation reaction of struvite.
La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif 1 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique 11 selon l’invention. Le dispositif 1 comprend une unité de traitement thermique 12, destiné à recevoir la matière organique 11 et former un hydrolysat 13, un dispositif de précipitation 9 en sortie de l’unité de traitement thermique 12, et configuré de sorte que, quand le dispositif 1 de réduction opère, du gypse 14 se forme par précipitation d’un élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans un hydrolysat 13 issu de l’unité de traitement thermique 12, et de la struvite 16 se forme par précipitation d’un élément N présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion magnésium, un dispositif de digestion anaérobie 8 en sortie du dispositif de précipitation 9 et configuré à être alimenté par l’hydrolysat 13 duquel le gypse 14 et la struvite 16 ont été au moins partiellement prélevés. Le dispositif de digestion anaérobie 8 permet de produire du biogaz 31.FIG. 2 schematically represents an embodiment of a device 1 for the simultaneous reduction of N, P, S in organic matter 11 according to the invention. The device 1 comprises a heat treatment unit 12, intended to receive the organic material 11 and form a hydrolyzate 13, a precipitation device 9 at the outlet of the heat treatment unit 12, and configured so that, when the device 1 reduction occurs, gypsum 14 is formed by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in a hydrolyzate 13 from the heat treatment unit 12, and struvite 16 is formed by precipitation of a element N present in the hydrolyzate 13 in the form of ammonium and an element P present in the hydrolyzate 13 in the form of phosphate ion and an element Mg present in the hydrolyzate 13 in the form of magnesium ion, an anaerobic digestion device 8 at the outlet of the precipitation device 9 and configured to be supplied with the hydrolyzate 13 from which the gypsum 14 and the struvite 16 have been at least partially removed. The anaerobic digestion device 8 makes it possible to produce biogas 31.
Dans le dispositif 1 représenté sur la figure 2, le dispositif de précipitation 9 comprend un réacteur configuré de sorte que, quand le dispositif opère, du gypse 14 se forme dans le réacteur par précipitation d’un élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans l’hydrolysat 13 issu de l’unité de traitement thermique 12, et de la struvite 16 se forme dans le réacteur par précipitation d’un et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion magnésium dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion phosphate.In the device 1 represented in FIG. 2, the precipitation device 9 comprises a reactor configured so that, when the device operates, gypsum 14 is formed in the reactor by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in the hydrolyzate 13 from the heat treatment unit 12, and struvite 16 is formed in the reactor by precipitation of one and of an Mg element present in the hydrolyzate 13 in the form of magnesium ion in hydrolyzate 13 in the form of ammonium and of an element P present in the hydrolyzate 13 in the form of phosphate ion.
Avantageusement, le dispositif 1 comprend un injecteur 25 relié au dispositif de précipitation 9 configuré pour additionner, dans le dispositif de précipitation 9, au moins un agent de précipitation 19, préférentiellement un oxyde de calcium et magnésium, et encore préférentiellement de la chaux magnésienne, pour apporter les réactifs nécessaires aux réactions de précipitation du gypse et de la struvite comme expliqué précédemment.Advantageously, the device 1 comprises an injector 25 connected to the precipitation device 9 configured to add, to the precipitation device 9, at least one precipitation agent 19, preferably a calcium and magnesium oxide, and more preferably magnesium lime, to provide the reagents necessary for the gypsum and struvite precipitation reactions as explained above.
La figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 10 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique 11 selon l’invention. Le dispositif de réduction 10 représenté à la figure 3 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 1 représenté à la figure 2. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le dispositif de précipitation 9 comprend un premier réacteur 15 configuré de sorte que, quand le dispositif de réduction 10 opère, du gypse se forme dans le premier réacteur 15 par précipitation d’un l’élément chimique S sous forme d’ion sulfate présent dans l’hydrolysat 13 issu de l’unité de traitement thermique 12, et un deuxième réacteur 17 configuré de sorte que, quand le dispositif de réduction opère, de la struvite 16 se forme dans le deuxième réacteur 17 par précipitation d’un élément N présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ammonium et d’un élément P présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion phosphate et d’un élément Mg présent dans l’hydrolysat 13 sous forme d’ion magnésium.FIG. 3 schematically represents another embodiment of a device 10 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic material 11 according to the invention. The reduction device 10 represented in FIG. 3 comprises the same elements as the reduction device 1 represented in FIG. 2. In the embodiment represented in FIG. 3, the precipitation device 9 comprises a first reactor 15 configured so that, when the reduction device 10 operates, gypsum is formed in the first reactor 15 by precipitation of a chemical element S in the form of sulfate ion present in the hydrolyzate 13 from the heat treatment unit 12 , and a second reactor 17 configured so that, when the reduction device operates, struvite 16 is formed in the second reactor 17 by precipitation of an element N present in the hydrolyzate 13 in the form of ammonium and an element P present in the hydrolyzate 13 in the form of phosphate ion and an element Mg present in the hydrolyzate 13 in the form of magnesium ion.
L’invention permet d’avoir une précipitation séquentielle et ciblée. Lorsque du calcium et du sulfate sont en présence en condition de potentiel rédox positif avec un pH supérieur à 8, il va y avoir précipitation de gypse. Le gypse est un sel à solubilité rétrograde, c’est-à-dire qu’il devient moins soluble quand la température augmente. En sortie de l’unité de traitement thermique, la température de l’hydrolysat se situe environ entre 60 et 106 °C.The invention provides sequential and targeted precipitation. When calcium and sulphate are present in a condition of positive redox potential with a pH greater than 8, there will be precipitation of gypsum. Gypsum is a salt with retrograde solubility, that is to say that it becomes less soluble when the temperature increases. At the outlet of the heat treatment unit, the temperature of the hydrolyzate is approximately between 60 and 106 ° C.
La struvite, quant à elle, n’est pas formée au-dessus de 55-60°C car elle est soluble dans ce domaine de température.Struvite, on the other hand, is not formed above 55-60 ° C because it is soluble in this temperature range.
Il est ainsi possible de prévoir une précipitation séquentielle selon la gamme de température dans laquelle l’hydrolysat se situe.It is thus possible to provide a sequential precipitation according to the temperature range in which the hydrolyzate is located.
Par exemple, le gypse est solubilisé par aération, ce qui va augmenter le potentiel rédox. En utilisant la température et la chaux magnésienne, le pH va augmenter et la précipitation du gypse a lieu. La température est ainsi ramenée en dessous de 60°C. Dans le même dispositif de précipitation, ou dans un deuxième réacteur si le dispositif de précipitation comprend deux réacteurs, de façon simultanée ou séquentielle, comme le pH est déjà dans la gamme souhaitée, et que le magnésium est déjà présent (de par l’introduction de la chaux magnésienne), le reste de phosphore présent dans l’hydrolysat intervient dans la réaction de précipitation de la struvite.For example, the gypsum is dissolved by aeration, which will increase the redox potential. Using temperature and magnesium lime, the pH will rise and precipitation of gypsum takes place. The temperature is thus brought back below 60 ° C. In the same precipitation device, or in a second reactor if the precipitation device comprises two reactors, simultaneously or sequentially, as the pH is already in the desired range, and that magnesium is already present (from the introduction magnesian lime), the rest of phosphorus present in the hydrolyzate is involved in the precipitation reaction of struvite.
La précipitation en deux temps peut avoir lieu dans un même réacteur ou dans deux réacteurs distincts placés en série, le premier réacteur étant dédié à la précipitation du gypse et le deuxième réacteur étant dédié à la précipitation de la struvite. Dans un premier temps, la température se situe entre 60 et 105°C (précipitation du gypse) et dans un second temps, la température se situe entre 35 et 55°C (précipitation de la struvite). S’il y a co précipitation dans un seul réacteur, la température de l’hydrolysat devrait être inférieure, idéalement de l’ordre de 35-55°C pour permettre à la fois la précipitation de gypse et de la struvite.The two-stage precipitation can take place in the same reactor or in two separate reactors placed in series, the first reactor being dedicated to the precipitation of gypsum and the second reactor being dedicated to the precipitation of struvite. First, the temperature is between 60 and 105 ° C (precipitation of gypsum) and secondly, the temperature is between 35 and 55 ° C (precipitation of struvite). If there is co-precipitation in a single reactor, the temperature of the hydrolyzate should be lower, ideally in the range of 35-55 ° C to allow both precipitation of gypsum and struvite.
La réaction de précipitation de la struvite faisant réagir les ions Mg2+, NH4+, PO43' en rapport équimolaire, le phosphore intervient dans la formation de la struvite. Généralement, il reste de l’ammoniac puisque les ions NH4 + sont souvent en excès dans la matière organique. Soit seul le phosphore présent dans les boues est utilisé pour la précipitation de la struvite, soit on ajoute du phosphore pour que l’ammoniac ne soit plus en excès mais en équimolarité.The precipitation reaction of struvite causing the ions Mg 2+ , NH4 + , PO4 3 'to react in equimolar relation, phosphorus intervenes in the formation of struvite. Generally, ammonia remains since NH 4 + ions are often in excess in organic matter. Either only the phosphorus present in the sludge is used for the precipitation of struvite, or phosphorus is added so that the ammonia is no longer in excess but in equimolarity.
Ainsi, l’élément chimique S est traité par précipitation du gypse, puis les éléments chimiques N et P sont traités simultanément par précipitation de la struvite.Thus, the chemical element S is treated by precipitation of gypsum, then the chemical elements N and P are treated simultaneously by precipitation of struvite.
Il n’est pas forcément nécessaire d’éliminer tous les éléments S, N, P dans les boues. Il est souhaitable d’enlever juste ce qu’il faut pour protéger le digesteur anaérobie pour éviter toute précipitation de struvite noncontrôlée dans le digesteur anaérobie. De plus, il est ainsi possible de contrôler la précipitation pour ne garder que les éléments souhaités pour les traitements opérés en aval, selon si on souhaite garder du phosphore ou de l’azote, ou pas.It is not necessarily necessary to eliminate all the elements S, N, P in the sludge. It is desirable to remove just what is necessary to protect the anaerobic digester to avoid precipitation of uncontrolled struvite in the anaerobic digester. In addition, it is thus possible to control the precipitation so as to keep only the elements desired for the treatments carried out downstream, depending on whether one wishes to keep phosphorus or nitrogen, or not.
L’invention permet donc une réduction contrôlée des éléments N, S et P.The invention therefore allows a controlled reduction of the elements N, S and P.
En aval du digesteur anaérobie 8, le dispositif peut comprendre en outre une unité de déshydratation 33 pour séparer les boues 32 issues du digesteur anaérobie 8 en un cake solide 34 et en filtrat 35. Le filtrat 35 peut être redirigé en tête de station afin d’être traité.Downstream of the anaerobic digester 8, the device can also comprise a dewatering unit 33 to separate the sludge 32 from the anaerobic digester 8 into a solid cake 34 and into filtrate 35. The filtrate 35 can be redirected to the head of the station in order to 'be treated.
La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 40 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention. Le dispositif de réduction 40 représenté à la figure 4 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 1 représenté à la figure 2. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, le dispositif 40 comprend un dispositif de recirculation d’ammonium 52 entre le dispositif de digestion anaérobie 8 et le dispositif de précipitation 9, configuré pour apporter l’ammonium du dispositif de digestion anaérobique dans le dispositif de précipitation. En effet, l’azote n’est pas encore en majorité sous forme ammoniacale à la sortie du traitement thermique (mais sous forme amine). Il n’est sous forme NH4+ que suite à la digestion. La recirculation entre le dispositif de digestion anaérobique et le dispositif de précipitation permet ainsi de fournir les ions NH4+ nécessaires aux réactions de précipitation. Le dispositif de recirculation d’ammonium 52 peut aussi être couplé à un échangeur de chaleur du dispositif de digestion anaérobique vers le dispositif de précipitation.FIG. 4 schematically represents another embodiment of a device 40 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic matter according to the invention. The reduction device 40 shown in Figure 4 includes the same elements as the reduction device 1 shown in Figure 2. In the embodiment shown in Figure 4, the device 40 includes an ammonium recirculation device 52 between the anaerobic digestion device 8 and the precipitation device 9, configured to supply the ammonium from the anaerobic digestion device to the precipitation device. In fact, the majority of nitrogen is not yet in the ammoniacal form at the end of the heat treatment (but in the amine form). It is in NH 4 + form only after digestion. The recirculation between the anaerobic digestion device and the precipitation device thus makes it possible to supply the NH 4 + ions necessary for the precipitation reactions. The ammonium recirculation device 52 can also be coupled to a heat exchanger from the anaerobic digestion device to the precipitation device.
En plus du dispositif de recirculation d’ammonium 52 ou bien en alternative, et comme représenté sur les figures, les ions ammonium peuvent être apportés dans le dispositif de précipitation via un dispositif externe 21 d’injection d’ammonium. En mettant en oeuvre le dispositif externe 21 d’injection d’ammonium, il est ainsi possible d’apporter l’ammonium dans le dispositif de précipitation sans nécessairement avoir besoin du dispositif de recirculation d’ammonium 52 entre le dispositif de digestion et le dispositif de précipitation.In addition to the ammonium recirculation device 52 or alternatively, and as shown in the figures, the ammonium ions can be brought into the precipitation device via an external ammonium injection device 21. By using the external ammonium injection device 21, it is thus possible to supply the ammonium to the precipitation device without necessarily needing the ammonium recirculation device 52 between the digestion device and the device of precipitation.
La figure 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 50 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique 11 selon l’invention. Le dispositif de réduction 50 représenté à la figure 5 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 10 représenté à la figure 3. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 5, le dispositif 50 comprend un pH-mètre 26 configuré pour mesurer le pH dans le dispositif de précipitation 9 et un doseur 27 du au moins un agent de précipitation 19, 20 configuré pour additionner le au moins un agent de précipitation 19, 20 dans le dispositif de précipitation 9 en fonction de la mesure de pH dans le dispositif de précipitation 9. Le pH-mètre 26 et le doseur 27 forment un moyen de contrôle de l’addition de l’agent de précipitation pour l’introduire en quantité adéquate dans le dispositif de précipitation 9. La chaux magnésienne CaOMgO apporte à la solution dans le dispositif de précipitation 9 le pH requis, ainsi que les ions Ca2+ et Mg2+. La précipitation du gypse et de la struvite résulte en une diminution de pH dans le dispositif de précipitation 9. Ainsi, l’addition d’oxyde de calcium et magnésium peut être contrôlée par une mesure de pH, continue ou semicontinue, dans le dispositif de précipitation 9. Selon le pH mesuré, il est possible de doser la quantité d’agent de précipitation à injecter dans le dispositif de précipitation 9.FIG. 5 schematically represents another embodiment of a device 50 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic material 11 according to the invention. The reduction device 50 shown in Figure 5 includes the same elements as the reduction device 10 shown in Figure 3. In the embodiment shown in Figure 5, the device 50 includes a pH meter 26 configured to measure the pH in the precipitation device 9 and a metering device 27 of the at least one precipitation agent 19, 20 configured to add the at least one precipitation agent 19, 20 to the precipitation device 9 as a function of the pH measurement in the device 9. The pH meter 26 and the doser 27 form a means of controlling the addition of the precipitation agent to introduce it in an adequate quantity into the precipitation device 9. The magnesium lime CaOMgO provides the solution in the precipitation device 9 the required pH, as well as the Ca 2+ and Mg 2+ ions. The precipitation of gypsum and struvite results in a decrease in pH in the precipitation device 9. Thus, the addition of calcium oxide and magnesium can be monitored by a pH measurement, continuous or semi-continuous, in the precipitation device. precipitation 9. Depending on the pH measured, it is possible to measure the amount of precipitation agent to be injected into the precipitation device 9.
On peut noter que le dispositif 50 comprend un échangeur de chaleur 51, mais sa présence est optionnelle. Ou bien il pourrait y avoir un échangeur de chaleur 51 et un autre échangeur de chaleur couplé au dispositif de recirculation d’ammonium 52.It can be noted that the device 50 comprises a heat exchanger 51, but its presence is optional. Or there could be a heat exchanger 51 and another heat exchanger coupled to the ammonium recirculation device 52.
Un échangeur de chaleur 51 peut être positionné entre l’unité de traitement thermique 12 et la sortie du dispositif de précipitation 9, configuré pour récupérer la chaleur issue de l’hydrolysat 13 après la première étape de traitement thermique. La chaleur ainsi récupérée peut être dirigée en sortie du dispositif de précipitation 9, c’est-à-dire vers l’hydrolysat alimentant le dispositif de digestion anaérobie. L’objectif d’un échangeur de chaleur 51 est de maintenir le dispositif de digestion anaérobie 8 à la bonne température. En sortie de l’unité de traitement thermique 12, l’hydrolysat 13 est souvent plus chaud que les boues dans le dispositif de digestion anaérobique 8, et cette différence de température suffit à maintenir le dispositif de digestion anaérobique 8 à température. Néanmoins, quand l’unité de traitement thermique 12 ne fonctionne pas, par exemple lors d’une maintenance, l’échangeur de chaleur 51 assure le maintien de la température souhaitée dans le dispositif de digestion anaérobie 8.A heat exchanger 51 can be positioned between the heat treatment unit 12 and the outlet of the precipitation device 9, configured to recover the heat from the hydrolyzate 13 after the first heat treatment step. The heat thus recovered can be directed at the outlet of the precipitation device 9, that is to say towards the hydrolyzate feeding the anaerobic digestion device. The objective of a heat exchanger 51 is to keep the anaerobic digestion device 8 at the right temperature. On leaving the heat treatment unit 12, the hydrolyzate 13 is often hotter than the sludge in the anaerobic digestion device 8, and this temperature difference is sufficient to keep the anaerobic digestion device 8 at temperature. However, when the heat treatment unit 12 does not operate, for example during maintenance, the heat exchanger 51 maintains the desired temperature in the anaerobic digestion device 8.
La figure 6 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 60 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention. Le dispositif de réduction 60 représenté à la figure 6 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 10 représenté à la figure 3. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 6, le dispositif 60 comprend un dispositif de mesure 28 de la concentration d’ammonium dans le dispositif de précipitation 9 et un doseur 29 du au moins un agent de précipitation 19 configuré pour additionner le au moins un agent de précipitation 19 dans le dispositif de précipitation 9 en fonction de la concentration d’ammonium dans le dispositif de précipitation 9. L’addition d’oxyde de calcium et magnésium est contrôlée grâce à une mesure, continue ou semi-continue, de l’ion ammonium NH4 + dans le dispositif de précipitation 9 et en appliquant un ratio molaire NH4+ : PO43' : Mg2+ de 1 : 1 : (1-3) et en maintenant le pH dans une gamme comprise entre 7,5 et 9,5. En connaissant la concentration en NH4 + dans le dispositif de précipitation 9 et en considérant le ratio molaire souhaité, on peut en déduire la quantité d’oxyde de calcium et de magnésium à injecter dans le dispositif de précipitation 9.FIG. 6 schematically represents another embodiment of a device 60 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic matter according to the invention. The reduction device 60 shown in Figure 6 comprises the same elements as the reduction device 10 shown in Figure 3. In the embodiment shown in Figure 6, the device 60 includes a device 28 for measuring the concentration of ammonium in the precipitation device 9 and a metering device 29 of the at least one precipitation agent 19 configured to add the at least one precipitation agent 19 in the precipitation device 9 as a function of the concentration of ammonium in the precipitation device 9. The addition of calcium and magnesium oxide is controlled by continuous or semi-continuous measurement of the ammonium ion NH 4 + in the precipitation device 9 and by applying a molar ratio NH4 + : PO4 3 ': 1: 1 Mg 2+ : (1-3) and maintaining the pH in a range between 7.5 and 9.5. By knowing the NH 4 + concentration in the precipitation device 9 and by considering the desired molar ratio, we can deduce the amount of calcium and magnesium oxide to be injected into the precipitation device 9.
On peut noter que le dispositif 60 ne comprend pas d’échangeur de chaleur, mais il pourrait de façon optionnelle comprendre un ou plusieurs échangeur(s) de chaleur.It can be noted that the device 60 does not include a heat exchanger, but it could optionally include one or more heat exchanger (s).
Le dispositif 60 peut comprendre, tout comme les dispositifs 1,10, 40, 50 présentés précédemment, un injecteur 30 de sel de phosphate 20 relié au dispositif de précipitation 9 de sorte à additionner du sel de phosphate 20 (par exemple du phosphate de potassium) dans le dispositif de précipitation 9 si la concentration de l’ion ammonium mesurée dans le dispositif de précipitation 9 est supérieure à une concentration prédéfinie. En ajoutant un sel de phosphate dans le dispositif de précipitation dans lequel la concentration de l’ion ammonium est trop élevée, la réaction de précipitation de la struvite va être favorisée. Il en résulte une réduction simultanée de l’élément N pour obtenir la concentration finale en N, P et S requise. En procédant ainsi, cela permet de réduire la quantité de NH3 + et PO43' qui sont retournés en tête de station. Cela permet de plus de pouvoir coupler un traitement thermique et une digestion anaérobie sans faire face au problème de toxicité liée à la présence de NH3.The device 60 can include, like the devices 1,10, 40, 50 presented above, an injector 30 of phosphate salt 20 connected to the precipitation device 9 so as to add phosphate salt 20 (for example potassium phosphate ) in the precipitation device 9 if the concentration of the ammonium ion measured in the precipitation device 9 is greater than a predefined concentration. By adding a phosphate salt to the precipitation device in which the concentration of the ammonium ion is too high, the precipitation reaction of struvite will be promoted. This results in a simultaneous reduction of the element N to obtain the required final concentration of N, P and S. By doing so, this reduces the amount of NH 3 + and PO4 3 'that are returned to the head of the station. This also makes it possible to combine heat treatment and anaerobic digestion without facing the problem of toxicity linked to the presence of NH3.
Da façon optionnelle, le dispositif 60 comprend une unité de déshydratation 36 positionnée directement en aval de l’unité de traitement thermique 12, et en amont du dispositif de précipitation 9. Cette unité de déshydratation 36 reçoit l’hydrolysat 13 qu’elle sépare en cake 38 et en filtrat 37. C’est cette partie (i.e. le filtrat 37) de l’hydrolysat qui alimente alors le dispositif de précipitation 9.Da optionally, the device 60 comprises a dehydration unit 36 positioned directly downstream of the heat treatment unit 12, and upstream of the precipitation device 9. This dehydration unit 36 receives the hydrolyzate 13 which it separates into cake 38 and filtrate 37. It is this part (ie the filtrate 37) of the hydrolyzate which then feeds the precipitation device 9.
La figure 7 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 70 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique selon l’invention. Le dispositif de réduction 70 représenté à la figure 7 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 60 représenté à la figure 6. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 7, le dispositif de digestion anaérobie 8 comprend une entrée 71 en connexion avec une sortie 73 du dispositif de précipitation 9 et une sortie 72 en connexion avec une entrée 74 de l’unité de traitement thermique 12 en matière organique 11. Autrement dit, le dispositif de digestion anaérobie 8 est alimenté par l’hydrolysat 13 duquel le gypse et la struvite formés ont été, au moins partiellement, prélevés, et produit du biogaz 31. Les boues digérées 42 sont ensuite introduites dans l’unité de traitement thermique 12 avec ou sans séparation de phase. Le dispositif 70 peut comprendre une unité de déshydratation 43. Le centrât est retourné en tête de station. Il s’agit d’une étape de pré-épaississement de la boue. Le cake produit, quant à lui, peut alimenter l’unité de traitement thermique 12. Si une étape de centrifugation existe en aval du traitement thermique, un cake est produit et le centrât résultant de cette centrifugation est dirigé vers le dispositif de précipitation.FIG. 7 schematically represents another embodiment of a device 70 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic matter according to the invention. The reduction device 70 shown in FIG. 7 comprises the same elements as the reduction device 60 represented in FIG. 6. In the embodiment represented in FIG. 7, the anaerobic digestion device 8 comprises an inlet 71 in connection with an outlet 73 of the precipitation device 9 and an outlet 72 in connection with an inlet 74 of the heat treatment unit 12 in organic material 11. In other words, the anaerobic digestion device 8 is supplied by the hydrolyzate 13 from which the gypsum and the struvite formed have been, at least partially, removed, and produced biogas 31. The digested sludge 42 is then introduced into the heat treatment unit 12 with or without phase separation. The device 70 may include a dehydration unit 43. The centrate is returned to the head of the station. This is a pre-thickening step for the mud. The cake produced, for its part, can supply the heat treatment unit 12. If a centrifugation step exists downstream of the heat treatment, a cake is produced and the centrate resulting from this centrifugation is directed to the precipitation device.
L’entrée 71 du dispositif de digestion anaérobie 8 peut aussi être configurée de sorte à être alimentée par des boues fraîches qui n’ont pas subi les étapes de précipitation.The input 71 of the anaerobic digestion device 8 can also be configured so as to be supplied with fresh sludge which has not undergone the precipitation steps.
La figure 8 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif 80 de réduction simultanée de N, P, S dans la matière organique 11 selon l’invention. Le dispositif de réduction 80 représenté à la figure 8 comprend les mêmes éléments que le dispositif de réduction 60 représenté à la figure 6. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 8, le dispositif de digestion anaérobie 8 comprend un premier digesteur anaérobie 18 comprenant une entrée 71 en connexion avec la sortie 73 du dispositif de précipitation 9 et un deuxième digesteur anaérobie 22 comprenant une sortie 75 en connexion avec une entrée 74 de l’unité de traitement thermique 12 en matière organique 11. Le fonctionnement de ce dispositif 80 est donc similaire à celui du dispositif 70 à ceci près que les boues digérées issues du digesteur anaérobie positionné en aval du dispositif de précipitation 9 ne sont pas introduites dans l’unité de traitement thermique 12.FIG. 8 schematically represents another embodiment of a device 80 for the simultaneous reduction of N, P, S in the organic material 11 according to the invention. The reduction device 80 shown in Figure 8 includes the same elements as the reduction device 60 shown in Figure 6. In the embodiment shown in Figure 8, the anaerobic digestion device 8 comprises a first anaerobic digester 18 comprising an inlet 71 in connection with the outlet 73 of the precipitation device 9 and a second anaerobic digester 22 comprising an outlet 75 in connection with an inlet 74 of the heat treatment unit 12 made of organic material 11. The operation of this device 80 is therefore similar to that of the device 70 except that the digested sludge from the anaerobic digester positioned downstream from the precipitation device 9 is not introduced into the heat treatment unit 12.
Dans les deux cas, la digestion anaérobie permet une meilleure production de biogaz comme les boues dans le digesteur sont peu ou pas chargées en N, P, S. Avec moins d’ions sulfate, les bactéries sulfatoréductrices sont moins actives et n’entrent pas en compétition avec les bactéries méthanogènes.In both cases, anaerobic digestion allows a better production of biogas as the sludge in the digester is little or not loaded with N, P, S. With less sulfate ions, the sulfatoreductive bacteria are less active and do not enter compete with methanogenic bacteria.
L’entrée de chacun des dispositifs de digestion anaérobie peut aussi être configurée de sorte à être alimentée par des boues fraîches qui n’ont pas subi les étapes de précipitation.The input of each of the anaerobic digestion devices can also be configured so as to be supplied with fresh sludge which has not undergone the precipitation stages.
Par ailleurs, la réduction des ions SO4 2', NH4+ et PO43' présents dans les boues en amont du digesteur anaérobie permet de réduire la formation de struvite dans le digesteur et/ou lors de procédés en aval. En effet, cette formation ne serait pas souhaitée du fait des risques qu’elle induit.Furthermore, the reduction of the SO 4 2 ', NH4 + and PO4 3 ' ions present in the sludge upstream of the anaerobic digester makes it possible to reduce the formation of struvite in the digester and / or during downstream processes. Indeed, this training would not be desired because of the risks it induces.
Le passage des boues dans le dispositif de précipitation où la précipitation de gypse et de struvite se produit permet de refroidir les boues, sans nécessiter de dispositif de refroidissement additionnel.The passage of the sludge through the precipitation device where the precipitation of gypsum and struvite occurs makes it possible to cool the sludge, without requiring any additional cooling device.
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2018
- 2018-03-22 FR FR1852485A patent/FR3079228B1/en active Active
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| Publication number | Publication date |
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