FR3112768A1 - BIOLOGICAL TREATMENT OF EFFLUENTS RICH IN CARBON AND NITROGEN MATTER WITH BIOGAS PRODUCTION - Google Patents
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Abstract
TRAITEMENT BIOLOGIQUE D’EFFLUENTS RICHES EN MATIERE CARBONEE ET EN AZOTE AVEC PRODUCTION DE BIOGAZ L'invention concerne un procédé de traitement biologique d’un effluent, l’effluent à traiter contenant de l’azote sous forme d’ammonium et présentant une concentration en matière carbonée mesurée par la demande chimique en oxygène DCO supérieure ou égale à 1g par litre d’effluent, le procédé comprenant :a) une étape de digestion anaérobie de l’effluent à traiter pour produire du biogaz et un digestat constituant un premier effluent liquide présentant une teneur en matière carbonée réduite, cette étape étant mise en œuvre dans une lagune couverte équipée d’un dispositif de récupération du biogaz,b) une étape de traitement biologique du digestat obtenu à l’étape (a) pour produire un deuxième effluent liquide à teneur en azote réduite. Figure pour l’abrégé : figure 1 BIOLOGICAL TREATMENT OF EFFLUENTS RICH IN CARBON AND NITROGEN WITH BIOGAS PRODUCTION The invention relates to a process for the biological treatment of an effluent, the effluent to be treated containing nitrogen in the form of ammonium and having a concentration of carbonaceous material measured by the chemical oxygen demand COD greater than or equal to 1g per liter of effluent, the process comprising: a) a step of anaerobic digestion of the effluent to be treated to produce biogas and a digestate constituting a first liquid effluent having a reduced carbonaceous material content, this step being implemented in a covered lagoon equipped with a biogas recovery device, b) a step of biological treatment of the digestate obtained in step (a) to produce a second liquid effluent with reduced nitrogen content. Figure for abstract: figure 1
Description
Domaine de l’inventionField of invention
L’invention concerne le traitement biologique d’élimination de l’azote et du carbone d’effluents riches en matière carbonée et en azote, tels que par exemple les lixiviats, avec production de biogaz, et notamment de méthane.The invention relates to the biological treatment for the elimination of nitrogen and carbon from effluents rich in carbonaceous matter and nitrogen, such as for example leachates, with the production of biogas, and in particular methane.
Etat de la techniqueState of the art
Les activités humaines produisent d'énormes quantités de déchets solides. L’enfouissement est la solution la plus répandue malgré les solutions d'incinération matière et/ou énergétique de valorisation. L’enfouissement des déchets municipaux génère des effluents – généralement contaminés - appelés lixiviats. Ces lixiviats nécessitent un traitement approprié avant d'être rejetés dans les milieux récepteurs (rivières, lacs, nappes, mer…) ou dans les stations de traitement des eaux usées municipales. Ce traitement par des procédés classiques est consommateur d’énergie et potentiellement de sources carbonées exogènes. Les principaux défis associés au traitement des lixiviats sont l'évolution de la réglementation avec des limites de rejet plus basses pour l'azote et de nouvelles contraintes environnementales, impliquant des coûts supplémentaires (consommation d’énergie et/ou de produits chimiques, notamment de matière carbonée exogène).Human activities produce huge amounts of solid waste. Landfilling is the most widespread solution despite material incineration and/or energy recovery solutions. The burial of municipal waste generates effluents - generally contaminated - called leachate. These leachates require appropriate treatment before being discharged into receiving environments (rivers, lakes, groundwater, sea, etc.) or into municipal wastewater treatment plants. This treatment by conventional processes consumes energy and potentially exogenous carbon sources. The main challenges associated with leachate treatment are the evolution of regulations with lower discharge limits for nitrogen and new environmental constraints, involving additional costs (consumption of energy and/or chemicals, in particular exogenous carbonaceous matter).
Dans ce contexte, un traitement biologique des lixiviats et plus généralement des effluents présentant une concentration élevée en matière carbonée et en azote nécessite la mise en place de traitements adaptés.In this context, a biological treatment of leachates and more generally of effluents with a high concentration of carbonaceous matter and nitrogen requires the implementation of appropriate treatments.
Le traitement du carbone peut faire appel à la digestion anaérobie, également appelée méthanisation, qui est un procédé de dégradation biologique de la matière organique en conditions anaérobies. Elle permet une dégradation de la matière organique soluble ou particulaire en biogaz, gaz énergétique composé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone. En plus du biogaz, un composé appelé « digestat » est généré. Ce composé est appauvri en matière carbonée (plus particulièrement en matière carbonée biodégradable), une partie de celle-ci étant consommée pendant l’étape de méthanisation.Carbon treatment can use anaerobic digestion, also called anaerobic digestion, which is a process of biological degradation of organic matter under anaerobic conditions. It allows the degradation of soluble or particulate organic matter into biogas, an energy gas composed essentially of methane and carbon dioxide. In addition to biogas, a compound called “digestate” is generated. This compound is depleted in carbonaceous matter (more particularly in biodegradable carbonaceous matter), part of it being consumed during the methanation stage.
La digestion anaérobie est bien connue et comprend typiquement trois étapes principales : une première étape d’hydrolyse/acidogénèse, une deuxième étape d’acétogénèse et une troisième étape de méthanogénèse.Anaerobic digestion is well known and typically comprises three main steps: a first step of hydrolysis/acidogenesis, a second step of acetogenesis and a third step of methanogenesis.
Lors de la première étape, les matières organiques complexes (sucres, protéines, lipides) sont hydrolysées en matières organiques simples (oses, acides aminés, alcools) qui sont ensuite assimilées par des espèces hétérotrophes extrêmement diverses (anaérobies strictes ou facultatives) pour aboutir à un mélange d’acides gras volatils (AGV, notamment acide acétique, acide lactique, acide propionique, acide butyrique…), d’alcools simples (notamment éthanol), de produits gazeux (CO2et H2) et d’ammonium. Au cours de la deuxième étape, ces composés subissent une acétogénèse par des bactéries produisant du dihydrogène (H2), de l’acétate et du dioxyde de carbone (CO2). Lors de la dernière étape, H2, CO2et acétate sont transformés en biogaz par des archées méthanogènes.During the first stage, complex organic matter (sugars, proteins, lipids) is hydrolyzed into simple organic matter (oses, amino acids, alcohols) which are then assimilated by extremely diverse heterotrophic species (strict or facultative anaerobes) to end up with a mixture of volatile fatty acids (AGV, in particular acetic acid, lactic acid, propionic acid, butyric acid, etc.), simple alcohols (in particular ethanol), gaseous products (CO 2 and H 2 ) and ammonium. During the second stage, these compounds undergo acetogenesis by bacteria producing dihydrogen (H 2 ), acetate and carbon dioxide (CO 2 ). During the last stage, H 2 , CO 2 and acetate are transformed into biogas by methanogenic archaea.
Deux grandes voies de méthanogénèse peuvent être différenciées. L’une dite hydrogénophile qui, à partir du couple H2/CO2, produit H2O et CH4, l’autre dite acétoclastique, qui dégrade l’acétate en CO2et CH4. D’autres sources de carbone comme le méthanol, le formaldéhyde et les méthylamines peuvent également être directement utilisées par les micro-organismes méthanogènes.Two major pathways of methanogenesis can be differentiated. One called hydrogenophilic which, from the H 2 /CO 2 couple, produces H 2 O and CH 4 , the other called acetoclastic, which degrades the acetate into CO 2 and CH 4 . Other carbon sources like methanol, formaldehyde and methylamines can also be used directly by methanogenic microorganisms.
Le biogaz produit contient du méthane, du CO2, et aussi de l’eau et des composés organiques volatiles, et peut être valorisé, éventuellement après purification.The biogas produced contains methane, CO 2 , and also water and volatile organic compounds, and can be recovered, possibly after purification.
Le traitement de l'azote fait généralement appel aux procédés de nitrification puis de dénitrification (N/DN). La nitrification est une réaction d'oxydation par des bactéries autotrophes, de l'azote ammoniacal ou ammonium, noté comme NH4ou NH4 +, en :Nitrogen treatment generally uses nitrification and then denitrification (N/DN) processes. Nitrification is an oxidation reaction by autotrophic bacteria, ammoniacal or ammonium nitrogen, noted as NH 4 or NH 4 + , in:
• azote nitreux, aussi connu comme nitrite, NO2ou NO2 – • nitrous nitrogen, also known as nitrite, NO 2 or NO 2 –
• puis azote nitrique, aussi connu comme nitrate, NO3ou NO3 -.• then nitric nitrogen, also known as nitrate, NO 3 or NO 3 - .
La dénitrification, consiste en une réduction en azote gazeux, connu comme N2, par des bactéries hétérotrophes dénitrifiantes, des nitrates produits lors des réactions de nitrification.Denitrification consists of a reduction in gaseous nitrogen, known as N 2 , by denitrifying heterotrophic bacteria, of the nitrates produced during the nitrification reactions.
De manière plus précise, la nitrification se compose de deux sous-étapes : une première étape de nitritation en présence d’oxygène suivie d'une deuxième étape de nitratation en présence d’oxygène également. La nitritation consiste en l'oxydation de l'ammonium en nitrite par des bactéries autotrophes nitritantes, connues comme AOB ou « Ammonia Oxidizing Bacteria» dont le genre prédominant estNitrosomonas. La nitratation consiste en l'oxydation du nitrite en nitrate par d'autres bactéries autotrophes, connues comme NOB ou « Nitrite Oxidizing Bacteria » dont le genre prédominant estNitrobacter.More precisely, the nitrification consists of two sub-steps: a first step of nitritation in the presence of oxygen followed by a second step of nitration also in the presence of oxygen. Nitritation consists of the oxidation of ammonium to nitrite by nitriting autotrophic bacteria, known as AOB or "Ammonia Oxidizing Bacteria", the predominant genus of which is Nitrosomonas . Nitratation consists of the oxidation of nitrite to nitrate by other autotrophic bacteria, known as NOB or "Nitrite Oxidizing Bacteria", the predominant genus of which is Nitrobacter .
La dénitrification peut également se décomposer en deux sous étapes : une étape de dénitratation qui va transformer les nitrates en nitrites, et une étape de dénitritation qui va transformer ces nitrites en azote gazeux. Chacune de ces deux sous étapes est réalisée par des bactéries hétérotrophes et nécessite de grandes quantités de carbone biodégradable. La dénitrification requiert en effet environ 2,9 kilogrammes de carbone sous forme de demande chimique en oxygène (DCO) pour réduire un kilogramme de N-NO3 en diazote.Denitrification can also be broken down into two sub-steps: a denitrification step which will transform the nitrates into nitrites, and a denitrification step which will transform these nitrites into gaseous nitrogen. Each of these two substeps is carried out by heterotrophic bacteria and requires large amounts of biodegradable carbon. Denitrification requires approximately 2.9 kilograms of carbon in the form of chemical oxygen demand (COD) to reduce one kilogram of N-NO3 to nitrogen.
Pour réduire la quantité d'énergie et de carbone utilisée pour le traitement de l'azote, d'autres voies métaboliques peuvent être envisagées : la nitritation-dénitritation et la dé-ammonification.To reduce the amount of energy and carbon used for nitrogen treatment, other metabolic pathways can be considered: nitritation-denitritation and de-ammonification.
Le procédé de nitritation-dénitritation, aussi appelé « shunt des nitrates », cherche à stopper l'oxydation de l'azote au stade des nitrites en évitant la production de nitrates, d'où le shunt de la « partie Nitrate » du cycle. Pour mettre en œuvre la nitritation-dénitritation, il faut donc réprimer les NOB au profit des AOB. Selon l’état de l’art, ce procédé permet une économie de 25% sur le besoin en oxygène et ne requiert que 1,7 kilogrammes de carbone sous forme de DCO pour réduire un kilogramme de N-NO2 en diazote. Cela représente une économie d’environ 40 % sur les besoins en carbone par rapport à un procédé classique de nitrification-dénitrification.The nitritation-denitritation process, also called “nitrate shunt”, seeks to stop the oxidation of nitrogen at the nitrite stage by avoiding the production of nitrates, hence the shunt of the “nitrate part” of the cycle. To implement nitritation-denitritation, it is therefore necessary to repress the NOBs in favor of the AOBs. According to the state of the art, this process saves 25% on the need for oxygen and only requires 1.7 kilograms of carbon in the form of COD to reduce one kilogram of N-NO2 to nitrogen. This represents a saving of approximately 40% on carbon requirements compared to a conventional nitrification-denitrification process.
Un autre procédé, appelé déammonification ou nitritation partielle/Anammox (NP/A) utilise la réaction de nitritation décrite précédemment mais met ensuite en jeu des bactéries autotrophes anaérobies, dites Anammox pour « ANaerobic AMMonium, Oxidation », qui consomment l'ammonium et le nitrite pour produire du N2sans avoir besoin d'oxygène et de carbone biodégradable.Another process, called deammonification or partial nitritation/Anammox (NP/A) uses the nitritation reaction described above but then involves anaerobic autotrophic bacteria, called Anammox for "ANaerobic AMMonium, Oxidation", which consume ammonium and nitrite to produce N 2 without the need for oxygen and biodegradable carbon.
La première étape de la déammonification est la nitritation partielle (NP). Elle consiste en l'oxydation d'une fraction (57%) de l'ion ammonium en nitrite. La deuxième étape est réalisée par les bactéries anaérobies Anammox. Dans cette réaction, environ 11 % de la charge azotée est transformée en nitrate, ce qui porte le taux d'élimination maximal théorique à 89 %.The first step in deammonification is partial nitritation (NP). It consists of the oxidation of a fraction (57%) of the ammonium ion into nitrite. The second stage is carried out by Anammox anaerobic bacteria. In this reaction, approximately 11% of the nitrogen charge is transformed into nitrate, which brings the theoretical maximum elimination rate to 89%.
La même population bactérienne, les bactéries oxydantes aérobies (AOB), que celle de la N/DN, est impliquée pour la nitritation partielle. Dans ce cas, (i) seule une fraction de l'ammonium est oxydée, contrairement au procédé N/DN qui nécessite une oxydation à 100 % du NH4et (ii) le niveau d'oxydation est réduit car la molécule ciblée est le NO2et non le NO3. Selon l’état de l’art, les économies d'oxygène pour cette voie de traitement atteignent environ 50 % par rapport à un traitement classique de nitrification et dénitrification.The same bacterial population, aerobic oxidizing bacteria (AOB), as that of N/DN, is implicated for partial nitritation. In this case, (i) only a fraction of the ammonium is oxidized, unlike the N/DN process which requires 100% oxidation of the NH 4 and (ii) the level of oxidation is reduced because the targeted molecule is the NO 2 and not NO 3 . According to the state of the art, the oxygen savings for this treatment route reach approximately 50% compared to a conventional treatment of nitrification and denitrification.
Par ailleurs, comme les bactéries AOB et Anammox sont des populations autotrophes, l'ensemble du processus NP/A peut être réalisé sans aucun carbone biodégradable. Aucun ajout de carbone externe (ou exogène) n'est nécessaire pour réaliser le traitement de l'azote. Ce traitement ne permet donc pas d’éliminer le carbone éventuellement présent.Furthermore, since AOB and Anammox bacteria are autotrophic populations, the entire NP/A process can be performed without any biodegradable carbon. No addition of external (or exogenous) carbon is necessary to achieve the nitrogen treatment. This treatment therefore does not eliminate any carbon that may be present.
La complexité de la matrice des lixiviats de décharge induit des défis techniques tels qu'une salinité élevée, une teneur en carbone biodégradable et des températures potentiellement basses ne permettant pas la mise en œuvre d'un processus de déammonification. L'activité de la biomasse Anammox peut être réduite ou totalement inhibée par la matrice, matrice de type lixiviat par exemple, et peut nécessiter des périodes d'acclimatation.The complexity of the landfill leachate matrix induces technical challenges such as high salinity, biodegradable carbon content and potentially low temperatures not allowing the implementation of a deammonification process. The activity of the Anammox biomass can be reduced or completely inhibited by the matrix, such as a leachate type matrix, and may require periods of acclimation.
Composition des lixiviatsComposition of leachates
La composition et la toxicité des lixiviats varient en fonction de la composition des déchets (zone géographique), de l'exploitation de la décharge (fermée / ouverte, tombe sèche, bioréacteur…) et des saisons, et principalement de l'état de stabilisation des déchets. Les lixiviats sont généralement classés en trois groupes distincts, correspondant à l'état de dégradation des déchets organiques et liés à l'âge moyen des déchets enfouis: lixiviats jeunes, moyens et matures. En général, les lixiviats sont caractérisés par leur haute conductivité électrique (1 à 35 mS.cm-1) due à la grande quantité de sel dissous (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4 +, Cl-, et SO4 2-) et principalement au NH4 +qui est l'ion le plus concentré. Ils peuvent également être concentrés en métaux (y compris les métaux lourds), ce qui peut poser problème lorsqu'un traitement biologique est envisagé.The composition and toxicity of leachates vary according to the composition of the waste (geographical area), the operation of the landfill (closed / open, dry grave, bioreactor, etc.) and the seasons, and mainly the state of stabilization garbage. Leachate is generally classified into three distinct groups, corresponding to the state of degradation of the organic waste and related to the average age of the buried waste: young, medium and mature leachate. In general, leachates are characterized by their high electrical conductivity (1 to 35 mS.cm -1 ) due to the large amount of dissolved salt (Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , K + , NH 4 + , Cl - , and SO 4 2- ) and mainly to NH 4 + which is the most concentrated ion. They can also be concentrated in metals (including heavy metals), which can be a problem when biological treatment is considered.
Les lixiviats matures sont notamment caractérisés par un faible rapport carbone biodégradable/azote réduit (DBO5/TKN < 0,5 gO2/gN) par rapport aux lixiviats plus jeunes (rapport DBO5/TKN pouvant atteindre 40 g O2/gN) (Renou, S., Givaudan, J.G., Poulain, S., Dirassouyan, F., Moulin, P., 2008. Landfill leachate treatment: Review and opportunity. J. Hazard. Mater. 150, 468–493. doi:10.1016/j.jhazmat.2007.09.077). En outre, par rapport aux eaux usées municipales, il semble que les lixiviats matures présentent généralement des concentrations en DBO5 plus faibles (<0,2 gO2/L) pour des concentrations en azote réduit TKN plus élevées (>0,4 gN/L).Mature leachates are characterized in particular by a low biodegradable carbon/reduced nitrogen ratio (BOD5/TKN < 0.5 gO 2 /gN) compared to younger leachates (BOD5/TKN ratio that can reach 40 g O 2 /gN) (Renou , S., Givaudan, JG, Poulain, S., Dirassouyan, F., Moulin, P., 2008. Landfill leachate treatment: Review and opportunity. J. Hazard. Mater. 150, 468–493. doi:10.1016/j .jhazmat.2007.09.077). In addition, compared to municipal wastewater, it seems that mature leachates generally have lower BOD5 concentrations (<0.2 gO 2 /L) for higher reduced nitrogen concentrations TKN (>0.4 gN/ I).
Le tableau 1 ci-dessous rassemble les caractéristiques usuelles des lixiviats en fonction de leur âge (Tałałaj, I.A., Biedka, P. & Bartkowska, I. Treatment of landfill leachates with biological pretreatments and reverse osmosis.Environ Chem Lett 17,1177–1193 (2019).Table 1 below summarizes the usual characteristics of leachates according to their age (Tałałaj, IA, Biedka, P. & Bartkowska, I. Treatment of landfill leachates with biological pretreatments and reverse osmosis. Environ Chem Lett 17, 1177–1193 (2019).
* valeur selon Kurniawan, Lo, Chan, 2006, Physico-chemical treatments for removal of recalcitrant contaminants from landfill leachate, J. Hazard. Mater., 129(1-3) pp. 80-100.* value according to Kurniawan, Lo, Chan, 2006, Physico-chemical treatments for removal of recalcitrant contaminants from landfill leachate, J. Hazard. Mater., 129(1-3) pp. 80-100.
** le carbone organique total peut être mesuré par les normes NF EN1484-juillet 97 ou ISO8245 :1999.** total organic carbon can be measured by standards NF EN1484-July 97 or ISO8245:1999.
Traitement de l’azote dans les lixiviatsNitrogen treatment in leachate
ll existe une grande variété de procédés pour traiter les lixiviats en fonction des caractéristiques de ces derniers, des contraintes du site (surface, personnel), des limites de rejet, du climat, du coût (CAPEX (dépenses d'investissement), OPEX (dépenses d’exploitation)) et de l'élimination des sous-produits. Le tableau 2 ci-dessous rassemble les traitements d'élimination de l'azote dans les lixiviats habituellement rencontrés dans la profession.There is a wide variety of processes for treating leachate depending on their characteristics, site constraints (surface area, personnel), discharge limits, climate, cost (CAPEX (investment expenses), OPEX ( operating expenses)) and disposal of by-products. Table 2 below lists the nitrogen removal treatments in leachates usually encountered in the profession.
Parmi ces procédés, la manière la plus courante d'éliminer l'azote est le procédé biologique, en particulier la nitrification-dénitrification (N/DN) bien connue de l’homme de l’art et décrite ci-avant. La N/DN nécessite l'oxydation de l'ammonium en nitrite puis en nitrate. Cela représente des quantités importantes d'oxygène, ce qui a un impact fort sur la consommation d'énergie et l'OPEX. De plus, une source de carbone biodégradable est nécessaire pour réduire l'azote N-NO3oxydé en N2gazeux. Le carbone doit être en quantité suffisante, sinon l'azote ne peut pas être traité et des nitrates ou des nitrites indésirables seront trouvés dans l'effluent.Among these processes, the most common way of eliminating nitrogen is the biological process, in particular nitrification-denitrification (N/DN) well known to those skilled in the art and described above. N/DN requires the oxidation of ammonium to nitrite and then to nitrate. This represents significant quantities of oxygen, which has a strong impact on energy consumption and OPEX. In addition, a biodegradable carbon source is needed to reduce the oxidized N-NO 3 nitrogen to gaseous N 2 . The carbon must be in sufficient quantity, otherwise the nitrogen cannot be treated and unwanted nitrates or nitrites will be found in the effluent.
Cependant, les lixiviats, notamment les lixiviats matures ou ceux ayant subis un prétraitement du carbone, sont des effluents à forte concentration en azote et à faible teneur en carbone biodégradable. Il n'y a pas assez de carbone biodégradable pour traiter l'azote par le procédé N/DN. Par exemple, en raison d’une dégradation spontanée du carbone souvent importante, les effluents chargés en carbone stockés en lagune ouverte en sortent avec une teneur en carbone biodégradable trop faible pour permettre un traitement de l’azote par N/DN.However, leachates, in particular mature leachates or those having undergone carbon pretreatment, are effluents with a high nitrogen concentration and a low biodegradable carbon content. There is not enough biodegradable carbon to process nitrogen through the N/DN process. For example, due to often significant spontaneous carbon degradation, carbon-laden effluents stored in an open lagoon come out with a biodegradable carbon content that is too low to allow nitrogen treatment by N/DN.
Pour permettre ce traitement par N/DN, soit les temps de séjour hydraulique dans les lagunes sont réduits (by-pass total ou partiel de l’ouvrage de stockage), au détriment de la potentielle valorisation du carbone sous forme de méthane, soit une source de carbone exogène est apportée dans les bassins biologiques, ce qui entraîne des coûts supplémentaires. Le by-pass des ouvrages de stockage, qui est difficile à mettre en œuvre de manière contrôlée avec les techniques conventionnelles et ne permet pas de récupérer d’énergie de manière satisfaisante, ou l’apport de carbone exogène est un non-sens économique, écologique et environnemental. Cette pollution carbonée entraîne en effet des consommations énergétiques plus importantes, des volumes d’ouvrage plus grands, une production de boues plus conséquente.To allow this treatment by N/DN, either the hydraulic residence times in the lagoons are reduced (total or partial bypass of the storage structure), to the detriment of the potential recovery of carbon in the form of methane, or a source of exogenous carbon is brought into the biological pools, which leads to additional costs. The by-pass of storage structures, which is difficult to implement in a controlled manner with conventional techniques and does not make it possible to recover energy in a satisfactory manner, or the contribution of exogenous carbon is an economic nonsense, ecological and environmental. This carbon pollution leads to higher energy consumption, larger volumes of work, and more substantial sludge production.
Par « matière carbonée exogène » ou « carbone exogène », on entend de la matière carbonée qui n’est pas présente dans l’effluent à traiter et qui est ajoutée à cet effluent. Dans le cadre du traitement de l’azote, ce carbone est habituellement apporté sous forme de molécules facilement biodégradables (méthanol, glycol…) pour permettre son intégration rapide dans le procédé de nitrification. Il s’agit de ressources dont l’achat peut engendrer des OPEX importants. Ainsi, on pourra entendre plus généralement par « matière carbonée exogène » ou « carbone exogène » du carbone extérieur au site de traitement.By “exogenous carbonaceous material” or “exogenous carbon”, we mean carbonaceous material which is not present in the effluent to be treated and which is added to this effluent. In the context of nitrogen treatment, this carbon is usually supplied in the form of easily biodegradable molecules (methanol, glycol, etc.) to allow its rapid integration into the nitrification process. These are resources whose purchase can generate significant OPEX. Thus, the term "exogenous carbonaceous material" or "exogenous carbon" may be understood more generally to mean carbon outside the treatment site.
Les traitements par boues activées ou lagunes aérées nécessitent des besoins énergétiques importants en raison de l’aération nécessaire.Treatments with activated sludge or aerated lagoons require significant energy requirements due to the necessary aeration.
Enfin, les solutions de traitement de l’azote par voie physique (comme le strippage de l’azote) sont énergivores et ne permettent pas d’éliminer ni de valoriser le carbone. Par ailleurs, les performances sont altérées par la présence de matières particulaires notamment carbonées et ne permettent pas de les traiter.Finally, physical nitrogen treatment solutions (such as nitrogen stripping) are energy-intensive and do not eliminate or recover carbon. Furthermore, the performance is impaired by the presence of particulate matter, in particular carbonaceous, and does not make it possible to treat it.
Les contraintes de rejet de plus en plus strictes pour les effluents, notamment sur les teneurs en carbone et azote, impliquent la mise en place de traitements adaptés, ce qui peut s’avérer complexe dans des contextes de réhabilitation où le carbone n’est plus disponible, car traité en amont, mais de l’azote résiduel requiert encore en traitement.The increasingly strict discharge constraints for effluents, in particular on carbon and nitrogen content, imply the implementation of appropriate treatments, which can prove to be complex in rehabilitation contexts where the carbon is no longer available, because treated upstream, but residual nitrogen still requires treatment.
Il existe par ailleurs des procédés de traitement d’effluents riches en DCO et en azote. On connaît ainsi du document CN20374111U un traitement biologique anaérobie dans un réacteur UASB (upflow anaerobic sludge blanket) suivi d’un traitement de l’azote par déammonification pour le traitement d’eaux usées industrielles à DCO élevée et haute teneur en azote ammoniacal. Toutefois, ce procédé nécessite un design et savoir-faire précis, et un suivi dédié.There are also processes for treating effluents rich in COD and nitrogen. Document CN20374111U thus describes an anaerobic biological treatment in a UASB reactor (upflow anaerobic sludge blanket) followed by nitrogen treatment by deammonification for the treatment of industrial wastewater with high COD and high ammoniacal nitrogen content. However, this process requires precise design and know-how, and dedicated monitoring.
On connaît aussi du document US2016052811A1 un traitement d’élimination de l’azote des eaux usées comprenant une étape de digestion anaérobie suivie d’une étape de déammonification. A la sortie du réacteur de déammonification, les boues sont séparées en des boues granulaires (contenant les bactéries Anammox et AOB) et des boues non granulaires (bactéries NOB et hétérotrophes), avec une réinjection des boues granulaires dans le réacteur. Il s’ensuit, selon le document, un enrichissement des populations microbiologiques souhaitées et la possibilité de réaliser la déammonification à des températures inférieures à 25°C. Le domaine d’application de ce procédé est cependant limité aux charges dont le ratio de la DBO5 sur l’azote est inférieur à 2 gO2/gN avec une concentration en azote et en DBO5 toutes deux inférieures à 100 mg/L. On notera d’ailleurs que le procédé proposé ne permet pas un traitement du carbone en aval de la digestion anaérobie.Document US2016052811A1 also discloses a treatment for removing nitrogen from wastewater comprising an anaerobic digestion step followed by a deammonification step. On leaving the deammonification reactor, the sludge is separated into granular sludge (containing Anammox and AOB bacteria) and non-granular sludge (NOB and heterotrophic bacteria), with reinjection of the granular sludge into the reactor. It follows, according to the document, an enrichment of the desired microbiological populations and the possibility of carrying out the deammonification at temperatures below 25°C. The field of application of this process is however limited to feedstocks for which the ratio of BOD5 to nitrogen is less than 2 gO 2 /gN with a nitrogen and BOD5 concentration both less than 100 mg/L. It will also be noted that the proposed method does not allow treatment of the carbon downstream of the anaerobic digestion.
Il existe donc un besoin pour traiter efficacement, à faible coût, par voie biologique des effluents contenant de l’azote sous forme d’ammonium et présentant une DCO élevée, notamment supérieure à 1g/L. Il existe également un besoin pour traiter ce type d’effluents à faible coût énergétique et faible empreinte environnementale en valorisant le carbone présent dans les effluents. Un tel traitement sera de préférence robuste de manière à limiter le besoin d’intervention humaine, et est adapté pour traiter une large gamme de situations, et notamment à des profils d’ouvrages de stockage variés.There is therefore a need to effectively, at low cost, biologically treat effluents containing nitrogen in the form of ammonium and having a high COD, in particular greater than 1g/L. There is also a need to treat this type of effluent at low energy cost and low environmental footprint by recovering the carbon present in the effluent. Such processing will preferably be robust so as to limit the need for human intervention, and is suitable for processing a wide range of situations, and in particular for various repository structure profiles.
Un premier objet de l’invention concerne un procédé de traitement biologique d’un effluent, l’effluent à traiter contenant de l’azote sous forme d’ammonium et présentant une concentration en matière carbonée mesurée par la demande chimique en oxygène (DCO) supérieure ou égale à 1g par litre d’effluent, le procédé comprenant :A first object of the invention relates to a process for the biological treatment of an effluent, the effluent to be treated containing nitrogen in the form of ammonium and having a concentration of carbonaceous matter measured by the chemical oxygen demand (COD) greater than or equal to 1g per liter of effluent, the method comprising:
a) une étape de digestion anaérobie de l’effluent à traiter pour produire du biogaz et un digestat constituant un premier effluent liquide présentant une teneur en matière carbonée réduite, cette étape étant mise en œuvre dans une lagune couverte équipée d’un dispositif de récupération du biogaz,a) a step of anaerobic digestion of the effluent to be treated to produce biogas and a digestate constituting a first liquid effluent having a reduced carbon content, this step being implemented in a covered lagoon equipped with a recovery device biogas,
b) une étape de traitement biologique du digestat obtenu à l’étape (a) pour produire un deuxième effluent liquide à teneur en azote réduite.b) a stage of biological treatment of the digestate obtained in stage (a) to produce a second liquid effluent with a reduced nitrogen content.
Dans le cadre de la présente invention, la digestion anaérobie, également nommée méthanisation, se fait par lagunage et vise le traitement des matières particulaires et carbonées. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, la lagune couverte constitue un méthaniseur à faible énergie (pas d’agitation), grande robustesse (temps de séjour long) et grande rusticité (ouvrage simple à exploiter). Le traitement de l’azote se fait quant à lui par un traitement biologique qui pourra être choisi en fonction des caractéristiques de l’effluent après digestion anaérobie.In the context of the present invention, anaerobic digestion, also called anaerobic digestion, is carried out by lagooning and aims at the treatment of particulate and carbonaceous matter. Thus, in the context of the present invention, the covered lagoon constitutes a methanizer with low energy (no agitation), great robustness (long residence time) and great rusticity (structure simple to operate). Nitrogen treatment is done by a biological treatment which can be chosen according to the characteristics of the effluent after anaerobic digestion.
Cet enchainement particulier d’étapes, et en particulier l’utilisation d’une lagune couverte pour produire du biogaz, permet le traitement des effluents, notamment le traitement des pollutions carbonée et azotée, à faible coût énergétique et avec valorisation du carbone en biogaz. La récupération et la valorisation du biogaz issu de la lagune couverte permet la production d’énergie renouvelable sans émission de gaz à effets de serre.This particular sequence of steps, and in particular the use of a covered lagoon to produce biogas, allows the treatment of effluents, in particular the treatment of carbon and nitrogen pollution, at low energy cost and with recovery of the carbon in biogas. The recovery and recovery of biogas from the covered lagoon allows the production of renewable energy without greenhouse gas emissions.
Avantageusement, l’étape de digestion anaérobie peut être réalisée dans des conditions maximisant la production de biogaz, et optionnellement minimisant le temps de séjour de l’effluent à traiter dans la lagune couverte.Advantageously, the anaerobic digestion step can be carried out under conditions maximizing the production of biogas, and optionally minimizing the residence time of the effluent to be treated in the covered lagoon.
Avantageusement, au cours de l’étape a), la lagune couverte peut être alimentée en continu et le digestat peut être extrait en continu. Ceci facilite la préservation de l’équilibre biologique de la lagune.Advantageously, during step a), the covered lagoon can be fed continuously and the digestate can be extracted continuously. This facilitates the preservation of the biological balance of the lagoon.
Avantageusement, le digestat peut être stocké dans au moins une capacité de stockage avant son traitement à l’étape b), par exemple une lagune ouverte, pour une gestion plus aisée des flux hydrauliques.Advantageously, the digestate can be stored in at least one storage capacity before its treatment in step b), for example an open lagoon, for easier management of hydraulic flows.
Avantageusement, on peut choisir le traitement de l’étape b) en fonction du ratio DBO5/N-NH4du digestat et de valeurs cibles des teneurs résiduelles en azote et matière carbonée du deuxième effluent liquide.Advantageously, the treatment of step b) can be chosen as a function of the BOD5/N—NH 4 ratio of the digestate and target values of the residual nitrogen and carbonaceous matter contents of the second liquid effluent.
Avantageusement, la lagune couverte peut comporter à une de ses extrémités une première entrée pour l’effluent à traiter et à son autre extrémité une sortie pour le digestat, et l’effluent à traiter est introduit dans la lagune couverte en partie ou en totalité par la première entrée et au moins un autre effluent à traiter, ou une autre partie du premier effluent à traiter, est introduit dans la lagune couverte par au moins une autre entrée de la lagune couverte située entre la première entrée et la sortie.Advantageously, the covered lagoon may comprise at one of its ends a first inlet for the effluent to be treated and at its other end an outlet for the digestate, and the effluent to be treated is introduced into the lagoon covered in part or in whole by the first inlet and at least one other effluent to be treated, or another part of the first effluent to be treated, is introduced into the covered lagoon by at least one other inlet of the covered lagoon located between the first inlet and the outlet.
Les lagunes sont habituellement des ouvrages de stockage, aérés, placés en amont d’un traitement biologique. Leur exploitation est réalisée en fonction du volume d’effluents à contenir et des besoins en carbone résiduel pour le traitement aval. Cette seconde condition peut venir contraindre la première, en forçant l’exploitant à réduire les temps de séjour hydrauliques dans la lagune par le biais de by-pass : le flux entrant dans la lagune ne circule pas dans celle-ci mais est directement pompé vers le traitement biologique de l’azote en aval, pour apporter le carbone qu’il contient. La présente invention permet de lever cette seconde contrainte : étant donné qu’une solution de traitement de l’azote peut être proposée pour chaque rapport DBO5/N-NH4possible du digestat, la quantité de carbone résiduel nécessaire en sortie de lagune n’est plus contrainte. Les capacités volumiques peuvent être alors être exploitées de manière optimale. L’invention non seulement propose de repenser ces ouvrages de stockage en ouvrages de traitement et valorisation du carbone, mais de surcroit maximise le potentiel de traitement et valorisation du carbone en permettant un traitement biologique en aval indépendant du rapport DBO5/N-NH4du digestat.Lagoons are usually storage structures, aerated, placed upstream of a biological treatment. Their operation is carried out according to the volume of effluents to be contained and the residual carbon requirements for downstream treatment. This second condition can come to constrain the first, by forcing the operator to reduce the hydraulic residence times in the lagoon by means of bypasses: the flow entering the lagoon does not circulate in it but is directly pumped towards the biological treatment of nitrogen downstream, to supply the carbon it contains. The present invention makes it possible to remove this second constraint: given that a nitrogen treatment solution can be proposed for each possible BOD5/N-NH 4 ratio of the digestate, the quantity of residual carbon necessary at the lagoon outlet does not is more constrained. Volume capacities can then be used optimally. The invention not only proposes rethinking these storage structures into carbon treatment and recovery structures, but in addition maximizes the potential for carbon treatment and recovery by allowing downstream biological treatment independent of the BOD5/N-NH 4 ratio of the digestate.
Les procédés de méthanisation en lagune couverte présentent l’avantage d’impliquer de faibles consommations énergétiques, du fait qu’ils ne sont ni chauffés ni agités. En outre, le temps de séjour des effluents dans la lagune couverte est important, rendant le procédé robuste et capable de subir des variations de charge importantes (en termes de débit et de DBO5). Ces procédés sont particulièrement efficaces et recommandés dans des pays chauds, où la température ambiante permet le maintien d’une activité biologique élevée. La simplicité de mise en œuvre et la rusticité à l’exploitation des lagunes anaérobies en font par ailleurs des technologies adaptées pour l’application au traitement de lixiviats chargés en carbone issus de décharges de pays en voie de développement.Methanization processes in covered lagoons have the advantage of involving low energy consumption, because they are neither heated nor agitated. In addition, the residence time of the effluents in the covered lagoon is significant, making the process robust and capable of undergoing significant load variations (in terms of flow rate and BOD5). These processes are particularly effective and recommended in hot countries, where the ambient temperature allows high biological activity to be maintained. The simplicity of implementation and the hardiness to the exploitation of anaerobic lagoons also make them suitable technologies for application to the treatment of carbon-laden leachates from landfills in developing countries.
Par ailleurs, le couplage avec un traitement de l’azote proposé par l’invention, permet de maximiser le potentiel de ces lagunes, notamment une production maximisée de biogaz avec une consommation énergétique faible. Aucune restriction vis-à-vis de la quantité de carbone n’est nécessaire, contrairement au procédé de nitrification/dénitrification conventionnel. Les temps de séjour hydraulique ne sont donc plus limités par les besoins en aval et l’abattement en carbone n’a plus lieu d’être bridé.Furthermore, the coupling with a nitrogen treatment proposed by the invention makes it possible to maximize the potential of these lagoons, in particular a maximized production of biogas with low energy consumption. No restriction on the amount of carbon is necessary, unlike the conventional nitrification/denitrification process. Hydraulic residence times are therefore no longer limited by downstream needs and carbon reduction no longer needs to be restricted.
Par exemple, un traitement de l’azote par shunt des nitrates, permet de sauvegarder 25% des besoins en air pour l’oxydation de l’azote (et donc l’énergie associée) par rapport à la nitrification/dénitrification. Par ailleurs, la demande en carbone est réduite de 40% et la production de boues est également diminuée de 40%. Le procédé de déammonification quant à lui permet de réduire d’un cran encore les besoins en air associés à l’oxydation de l’azote. C’est une économie d’énergie liée à l’aération de 50% par rapport à la nitrification/dénitrification. Il s’affranchit totalement des besoins en carbone et atteint une réduction de production de boues estimée à 80%.For example, treatment of nitrogen by nitrate shunt saves 25% of air requirements for nitrogen oxidation (and therefore the associated energy) compared to nitrification/denitrification. Furthermore, carbon demand is reduced by 40% and sludge production is also reduced by 40%. The deammonification process, on the other hand, allows the air requirements associated with the oxidation of nitrogen to be reduced by a further notch. This is an energy saving linked to aeration of 50% compared to nitrification/denitrification. It completely eliminates carbon requirements and achieves a reduction in sludge production estimated at 80%.
Ces deux solutions (shunt des nitrates et NP/A), beaucoup moins demandeuses de carbone que la nitrification/dénitrification, permettent de maximiser le potentiel de récupération d’énergie par la première étape de méthanisation. Cela sous-entend que c’est autant de carbone qui n’a pas besoin d’être acheminé vers ces procédés ; il en découle donc une réduction significative du volume des ouvrages de cette seconde étape.These two solutions (nitrate and NP/A shunt), requiring much less carbon than nitrification/denitrification, make it possible to maximize the potential for energy recovery by the first stage of methanization. This implies that it is as much carbon that does not need to be sent to these processes; this therefore results in a significant reduction in the volume of the works of this second stage.
Un autre objet de l’invention concerne une installation de traitement biologique d’un effluent, l’effluent à traiter contenant de l’azote sous forme d’ammonium et présentant une concentration en matière carbonée mesurée par la demande chimique en oxygène (DCO) supérieure ou égale à 1g par litre d’effluent, l’installation comprenant :Another object of the invention relates to an installation for the biological treatment of an effluent, the effluent to be treated containing nitrogen in the form of ammonium and having a concentration of carbonaceous matter measured by the chemical oxygen demand (COD) greater than or equal to 1g per liter of effluent, the installation comprising:
- une lagune couverte équipée d’un dispositif de récupération du biogaz et d’un dispositif d’évacuation d’un digestat liquide, et optionnellement équipée de chicanes et/ou de supports biologiques,- a covered lagoon equipped with a biogas recovery device and a liquid digestate evacuation device, and optionally equipped with baffles and/or biological supports,
- optionnellement une capacité de stockage du digestat liquide,- optionally a liquid digestate storage capacity,
- au moins un réacteur de traitement biologique du digestat.- at least one reactor for the biological treatment of the digestate.
De manière usuelle, la lagune comporte à une de ses extrémités une entrée pour l’effluent à traiter et à son autre extrémité une sortie pour le digestat. Avantageusement, elle peut comporter au moins une autre entrée pour l’effluent située entre la première entrée et la sortie.Usually, the lagoon has at one of its ends an inlet for the effluent to be treated and at its other end an outlet for the digestate. Advantageously, it may include at least one other inlet for the effluent located between the first inlet and the outlet.
Description des figuresDescription of figures
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the description given below of a particular embodiment of the invention, given by way of indication but not limitation, with reference to the appended drawings in which:
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
AbréviationsAbbreviations
Anammox (ANaerobic AMMonium Oxidation) : Oxydation anaérobie de l’ammoniumAnammox (ANaerobic AMMonium Oxidation): Anaerobic oxidation of ammonium
DBO: Demande biologique en oxygène (quantité de dioxygène nécessaire pour oxyder la totalité des matières organiques (biodégradables) par voie biologique)BOD: Biological oxygen demand (quantity of oxygen necessary to oxidize all organic matter (biodegradable) by biological means)
DBO5 : Demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 joursBOD5: Biological oxygen demand measured after 5 days
DCO ou DCOtot: Demande chimique en oxygène (mesure de la totalité des substances oxydables, qu’elles soient biodégradables ou non)COD or CODtot: Chemical oxygen demand (measurement of all oxidizable substances, whether biodegradable or not)
DCOs : Mesure de la quantité des substances oxydables solubles après filtration à 0,45µmCODs: Measurement of the quantity of soluble oxidizable substances after filtration at 0.45µm
HRT (hydraulic retention time): Temps de séjour hydrauliqueHRT (hydraulic retention time): Hydraulic retention time
N/DN: Nitrification / DénitrificationN/DN: Nitrification / Denitrification
NLR (Nitrogen Loading Rate) : Charge appliquée en azoteNLR (Nitrogen Loading Rate): Nitrogen load applied
NP : Nitritation partielleNP: Partial nitration
NP/A : Nitritation partielle/ AnammoxNP/A: Partial nitritation/ Anammox
RR (Removal Rate) : Taux d’abattementRR (Removal Rate): Reduction rate
SBR (Sequencing Batch Reactor) : Réacteur séquentiel en batchSBR (Sequencing Batch Reactor): Sequential batch reactor
TKN (Total Kjeldahl Nitrogen) : Azote total KjeldahlTKN (Total Kjeldahl Nitrogen): Total Kjeldahl Nitrogen
TN (Total Nitrogen) : Azote TotalTN (Total Nitrogen): Total Nitrogen
TSS (Total Suspended Solid) ou MES : Solides totaux en suspensionTSS (Total Suspended Solid) or MES: Total Suspended Solids
MS : Matières Sèches, inclut à la fois les matières en suspension et les sels dissousDM: Dry Matter, includes both suspended solids and dissolved salts
MV : Matières VolatilesVM: Volatile Matter
MVS : Matières volatiles présentes dans les matières en suspensionVMS: Volatile Matter in Suspended Matter
Nature de l’effluent traitéNature of the treated effluent
L’effluent traité par le procédé selon l’invention présente une DCO d’au moins 1g par litre d’effluent.The effluent treated by the method according to the invention has a COD of at least 1 g per liter of effluent.
Par « effluent », on entend un unique effluent ou un mélange d’effluents.“Effluent” means a single effluent or a mixture of effluents.
Avantageusement, la DCO de l’effluent sera d’au moins 4g/L, de préférence d’au moins 15g/L, voire d’au moins 20g/L. La DCO peut être mesurée selon la norme NFT 90-101-février 2001 ou ISO 6060-1989.Advantageously, the COD of the effluent will be at least 4g/L, preferably at least 15g/L, or even at least 20g/L. COD can be measured according to standard NFT 90-101-February 2001 or ISO 6060-1989.
Cet effluent peut être choisi parmi :This effluent can be chosen from:
- un lixiviat d’une installation de stockage, de préférence des déchets non dangereux, aussi appelé lixiviat de décharge,leachate from a storage facility, preferably non-hazardous waste, also called landfill leachate,
- un liquide collecté dans le fond d’un camion de collecte, avantageusement de ces déchets non dangereux, (appelé aussi « jus de camion »),a liquid collected in the bottom of a collection truck, advantageously from this non-hazardous waste, (also called "truck juice"),
- un effluent agricole liquide, notamment issu de l’agriculture ou des activités d’élevage des animaux, par exemple un lisier,a liquid agricultural effluent, in particular from agriculture or animal husbandry activities, for example slurry,
- un effluent liquide d’industrie agroalimentaire, ce qui inclut les résidus/coproduits industriels de la transformation de produits animaux et végétaux (laiterie, féculerie, brasserie, abattoir, tannerie…)a liquid effluent from the food industry, which includes industrial residues/co-products from the processing of animal and plant products (dairy, starch factory, brewery, slaughterhouse, tannery, etc.)
-
un effluent liquide organique d’autres industries (textiles, papetières, cosmétiques, pharmaceutiques…),
- un mélange de deux ou plusieurs de ces effluents.an organic liquid effluent from other industries (textiles, paper, cosmetics, pharmaceuticals, etc.),
- a mixture of two or more of these effluents.
Par « déchet non dangereux », on entend les déchets qui ne présentent aucune des caractéristiques spécifiques aux déchets dangereux, notamment tels que définis par la convention de Bâle, et qu'on désigne parfois comme « déchets banals ». Ces déchets comprennent habituellement les déchets recyclables et les déchets organiques. Les déchets recyclables comprennent le verre, les métaux, les cartons, les papiers, le bois, les plastiques, les textiles. Les déchets organiques comportent de la matière organique biodégradable : il s’agit essentiellement de déchets de jardin, de restes de repas pour les ménages ou la restauration collective, d’invendus de la distribution de déchets agroalimentaires. Les déchets non dangereux peuvent également comprendre des déchets présentant un intérêt comme combustible : il peut s’agir de déchets ménagers ou industriels résiduels, riches en matériaux plastiques notamment.“Non-hazardous waste” means waste that does not have any of the characteristics specific to hazardous waste, in particular as defined by the Basel Convention, and which is sometimes referred to as “ordinary waste”. These wastes usually include recyclable waste and organic waste. Recyclable waste includes glass, metals, cardboard, papers, wood, plastics, textiles. Organic waste includes biodegradable organic matter: it is mainly garden waste, leftover meals for households or collective catering, unsold items from the distribution of agro-food waste. Non-hazardous waste can also include waste of interest as a fuel: it can be residual household or industrial waste, rich in plastic materials in particular.
Dans la présente invention, les déchets non dangereux ne comprennent pas les déchets provenant des activités économiques humaines, notamment de l’agriculture, des activités d’élevage d’animaux, de l’industrie agroalimentaire et des autres industries.In the present invention, non-hazardous waste does not include waste from human economic activities, including agriculture, animal husbandry, food processing and other industries.
Avantageusement, l’effluent à traiter peut présenter une teneur en azote TKN de 0,1 à 15gN/L, de préférence de 0,5 à 10gN/L, de manière préférée de 1 à 5 gN/L. Cette teneur en azote TKN peut être mesurée selon la norme NF EN 25663- janvier 1994 ou ISO 5663 :1984.Advantageously, the effluent to be treated may have a nitrogen content TKN of 0.1 to 15 gN/L, preferably of 0.5 to 10 gN/L, preferably of 1 to 5 gN/L. This nitrogen content TKN can be measured according to standard NF EN 25663-January 1994 or ISO 5663:1984.
Avantageusement, l’effluent à traiter peut présenter une conductivité de 0,5 à 45mS/cm, de préférence de 1 à 30mS/cm, de manière préférée de 1,5 à 20mS/cm. La conductivité peut être mesurée selon la norme NF EN 27888-janvier 1994 ou ISO 7888 :1985.Advantageously, the effluent to be treated can have a conductivity of 0.5 to 45 mS/cm, preferably of 1 to 30 mS/cm, more preferably of 1.5 to 20 mS/cm. Conductivity can be measured according to standard NF EN 27888-January 1994 or ISO 7888:1985.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le procédé selon l’invention peut permettre de traiter un lixiviat, notamment un lixiviat jeune, un liquide collecté dans le fond des camions de collecte, notamment des déchets non dangereux, ou un mélange de ceux-ci. En particulier, le mélange de deux ou plusieurs de ces effluents pourra présenter les caractéristiques d’un lixiviat jeune.In a particularly advantageous embodiment, the method according to the invention can make it possible to treat a leachate, in particular a young leachate, a liquid collected in the bottom of collection trucks, in particular non-hazardous waste, or a mixture thereof. . In particular, the mixture of two or more of these effluents may present the characteristics of a young leachate.
Avantageusement, l’effluent à traiter pourra présenter une ou plusieurs des caractéristiques présentées dans le tableau 1 pour des lixiviats, de préférence pour un lixiviat jeune ou moyen, davantage de préférence pour un lixiviat jeune, optionnellement en combinaison avec les différentes valeurs de teneur en azote TKN et/ou les différentes valeurs de conductivité précédemment présentées. Dans un mode de réalisation préféré, l’effluent à traiter pourra présenter les caractéristiques d’un lixiviat jeune ou moyen, de préférence d’un lixiviat jeune, en combinaison avec une ou plusieurs des valeurs préférentielles et/ou préférées de teneur en azote TKN et/ou de conductivité précédemment présentées.Advantageously, the effluent to be treated may have one or more of the characteristics presented in Table 1 for leachates, preferably for a young or medium leachate, more preferably for a young leachate, optionally in combination with the different values of nitrogen TKN and/or the various conductivity values previously presented. In a preferred embodiment, the effluent to be treated may have the characteristics of a young or medium leachate, preferably of a young leachate, in combination with one or more of the preferential and/or preferred values of nitrogen content TKN and/or conductivity previously presented.
On notera qu’un lixiviat peut être caractérisé par un ratio DBO5/DCO (gO2/gO2) de 0,1 à 1, tel que présenté dans le tableau 1.It should be noted that a leachate can be characterized by a BOD5/COD (gO 2 /gO 2 ) ratio of 0.1 to 1, as presented in table 1.
De manière générale, un lixiviat peut être caractérisé par un ratio DCO/MES de 5 ou plus, de préférence strictement supérieur à 5. Ce ratio peut être d’au plus 100, de préférence d’au plus 80. Aussi, avantageusement, dans un mode de réalisation, l’effluent à traiter peut présenter un ratio DCO/MES dans la gamme de valeur d’un lixiviat, en combinaison ou non avec les valeurs des caractéristiques d’un lixiviat présentées dans le tableau 1 et/ou avec les différentes valeurs d’azote TKN et/ou avec les différentes valeurs de conductivité précédemment présentées.Generally, a leachate can be characterized by a COD/MES ratio of 5 or more, preferably strictly greater than 5. This ratio can be at most 100, preferably at most 80. Also, advantageously, in one embodiment, the effluent to be treated may have a COD/SS ratio in the value range of a leachate, in combination or not with the values of the characteristics of a leachate presented in table 1 and/or with the different values of nitrogen TKN and/or with the different values of conductivity previously presented.
De manière générale, un lisier présente un rapport DCO/MES strictement inférieur à 5.In general, slurry has a COD/SS ratio strictly below 5.
La MES peut être mesurée au moyen de la norme NF EN 872-juin 2005.SS can be measured using standard NF EN 872-June 2005.
Etape a) de digestion anaérobieStage a) of anaerobic digestion
Cette étape de digestion anaérobie est mise en œuvre dans une lagune couverte, aussi appelée lagune anaérobie, équipée d’un dispositif de récupération du biogaz. Les lagunes anaérobies sont des bassins, partiellement ou totalement dépourvus d'oxygène dissous, généralement non aérés, non chauffés et non mélangés. Les lagunes présentent l'avantage d'être très simples à construire, de nécessiter de faibles coûts d'investissement, d'exploitation et de maintenance et de présenter une bonne résistance aux chocs hydrauliques et organiques.This anaerobic digestion step is implemented in a covered lagoon, also called an anaerobic lagoon, equipped with a biogas recovery device. Anaerobic lagoons are basins, partially or totally devoid of dissolved oxygen, generally unaerated, unheated and unmixed. Lagoons have the advantage of being very simple to build, of requiring low investment, operation and maintenance costs and of having good resistance to hydraulic and organic shocks.
Trois configurations principales de lagunes anaérobies peuvent être envisagées :Three main configurations of anaerobic lagoons can be considered:
- rénovation d'un bassin existant avec une couverture flottante, également appelée couverture à pression négative : la couverture flexible est disposée sur le dessus du bassin et maintenue à l'aide de fixations extérieures. Le système est surmonté d'une grille de tuyaux récupérant le biogaz par surpression. Il est facile à concevoir et à déployer et pourrait donc être la solution la plus économique. Cependant, comme le revêtement supérieur est en contact direct avec l'effluent, il peut se détériorer rapidement par corrosion. La digestion anaérobie pourrait générer de la mousse qui pourrait s'infiltrer dans la conduite de biogaz et menacer les processus en aval. L'évacuation de l'eau de pluie accumulée sur le revêtement pourrait également représenter une complication importante.renovation of an existing pool with a floating cover, also called a negative pressure cover: the flexible cover is placed on top of the pool and held in place with external fixings. The system is surmounted by a grid of pipes recovering the biogas by overpressure. It is easy to design and deploy and therefore might be the most economical solution. However, as the top coating is in direct contact with the effluent, it can quickly deteriorate through corrosion. Anaerobic digestion could generate foam which could seep into the biogas line and threaten downstream processes. The evacuation of rainwater accumulated on the coating could also represent a significant complication.
- rénovation d'une lagune existante avec une couverture gonflée : la couverture étanche est fixée au sol et maintenue en permanence à une pression positive constante, par exemple par injection ou par extraction contrôlée via une légère surpression induite par la production biologique de biogaz. Cela permet d'éviter tout contact entre l'effluent et la membrane et de prévenir le colmatage des tuyaux par la mousse. Afin d'améliorer la résistance au vent, une structure permanente peut être installée. La limitation vient de la quantité importante de biogaz stocké en permanence et des mesures de santé et de sécurité à prendre. Elle nécessite également une certaine énergie (et l'OPEX correspondant) pour la mise en pression.renovation of an existing lagoon with an inflated cover: the waterproof cover is fixed to the ground and permanently maintained at a constant positive pressure, for example by injection or by controlled extraction via a slight overpressure induced by the biological production of biogas. This avoids any contact between the effluent and the membrane and prevents clogging of the pipes by the foam. In order to improve wind resistance, a permanent structure can be installed. The limitation comes from the large quantity of biogas permanently stored and the health and safety measures to be taken. It also requires some energy (and the corresponding OPEX) for pressurization.
- réacteur "prêt à l'emploi" de type lagunaire, tel que les bassins à coussin ou les réservoirs souples : ce type de digesteur consiste en un sac géomembrane autonome, avec ou sans structure de retenue rigide, qui peut être disposé sur un terrain plat ou dans un bassin vide existant ou une plate-forme de réception spécifiquement creusée. Ce type de système offre la meilleure étanchéité à l'air et à l'eau. Ils peuvent être conçus avec une zone séparée dédiée aux liquides et aux gaz, ce qui augmente la durée de vie du système global. Ce système "plug-and-play" est facile à déployer, modulaire et adaptable à de nombreux environnements. Quant aux couvertures gonflées, des mesures spécifiques de santé et de sécurité doivent être prises."ready-to-use" reactor of the lagoon type, such as cushion basins or flexible tanks: this type of digester consists of an autonomous geomembrane bag, with or without a rigid retaining structure, which can be placed on flat ground or in an existing empty basin or specially dug landing platform. This type of system offers the best air and water tightness. They can be designed with a separate area dedicated to liquids and gases, which increases the life of the overall system. This "plug-and-play" system is easy to deploy, modular and adaptable to many environments. As for inflated blankets, specific health and safety measures must be taken.
Les conditions de mise en œuvre de cette étape, à savoir la température et le temps de séjour, peuvent avantageusement être choisies afin de maximiser la production de biogaz, notamment en fonction de la teneur en matière carbonée (DCO) de l’effluent à traiter et aussi du débit d’effluent entrant dans la lagune couverte et de la capacité volumique de celle-ci, autrement dit du temps de séjour induit. Ainsi, les conditions de mises en œuvre ne seront pas fonction du ratio DBO5/N-NH4 du premier effluent sortant de l’étape de digestion anaérobie.The conditions for implementing this step, namely the temperature and the residence time, can advantageously be chosen in order to maximize the production of biogas, in particular according to the carbonaceous matter (COD) content of the effluent to be treated. and also the flow of effluent entering the covered lagoon and its volume capacity, in other words the induced residence time. Thus, the implementation conditions will not depend on the BOD5/N-NH4 ratio of the first effluent leaving the anaerobic digestion stage.
L’homme du métier est à même de déterminer des conditions de mise en œuvre appropriées en fonction des bactéries présentes dans la lagune couverte.Those skilled in the art are able to determine appropriate implementation conditions depending on the bacteria present in the covered lagoon.
De manière générale, il est peu envisageable de réguler la température d’une lagune couverte, en particulier d’une lagune de grande capacité volumique. On pourrait toutefois envisager une régulation de la température de la lagune couverte par apport d’un flux de chaleur, par exemple en chauffant l’effluent à traiter.In general, it is unlikely to regulate the temperature of a covered lagoon, in particular a lagoon with a large volume capacity. However, one could consider regulating the temperature of the covered lagoon by providing a heat flow, for example by heating the effluent to be treated.
Dans un mode de réalisation préféré, la température d’une lagune couverte n’est pas régulée, la production de biogaz pourra alors être maximisée par un choix approprié du temps de séjour de l’effluent à traiter. Ce temps de séjour pourra être déterminé par l’homme du métier en fonction de la température de la lagune couverte, de la teneur de la charge à traiter en matière carbonée, par exemple en fonction de la DCO, du volume de la lagune couverte et du volume d’effluent à traiter.In a preferred embodiment, the temperature of a covered lagoon is not regulated, the production of biogas can then be maximized by an appropriate choice of the residence time of the effluent to be treated. This residence time may be determined by those skilled in the art depending on the temperature of the covered lagoon, the content of the charge to be treated in carbonaceous material, for example depending on the COD, the volume of the covered lagoon and the volume of effluent to be treated.
Dans un mode de réalisation, l’optimisation de la production de biogaz, correspondant à une maximisation de la dégradation de la DCO, est de préférence réalisée en minimisant le temps de séjour dans la lagune couverte. Ceci permet de minimiser le volume de la lagune couverte afin d’en maîtriser les coûts (CAPEX et OPEX).In one embodiment, the optimization of the production of biogas, corresponding to a maximization of the degradation of the COD, is preferably achieved by minimizing the residence time in the covered lagoon. This makes it possible to minimize the volume of the lagoon covered in order to control costs (CAPEX and OPEX).
De manière générale, la digestion anaérobie peut être réalisée à une température de 5 à 55°C, de préférence de 15 à 50 °C, et de manière encore préférée entre 20 à 45°C, voire de 25 à 40°C, ou tout autre intervalle de température défini par ces limites.In general, the anaerobic digestion can be carried out at a temperature of 5 to 55°C, preferably of 15 to 50°C, and more preferably between 20 to 45°C, or even 25 to 40°C, or any other temperature range defined by these limits.
De préférence, la température de la lagune couverte n’est pas régulée : la température de l’étape de digestion va donc dépendre de la température extérieure.Preferably, the temperature of the covered lagoon is not regulated: the temperature of the digestion step will therefore depend on the outside temperature.
De manière générale, le temps de séjour de l’effluent dans la lagune anaérobie peut être d’au moins 1 jour, de préférence d’au moins 5 jours. Des temps de séjours très longs (de 365 jours ou plus) sont également possibles. Le plus souvent, le temps de séjour pourra être de 1 à 150 jours, de préférence de 5 à 100 jours, davantage de préférence de 15 à 100 jours, de manière préférée de 20 à 70 jours, ou tout autre intervalle défini par ces limites. Le temps de séjour pourra en outre être ajusté en fonction du volume d’effluent à traiter et de sa teneur en DCO, ceux-ci étant susceptibles de varier de manière brusque, notamment en raison des conditions météorologiques.In general, the residence time of the effluent in the anaerobic lagoon can be at least 1 day, preferably at least 5 days. Very long residence times (365 days or more) are also possible. More often, the residence time may be 1 to 150 days, preferably 5 to 100 days, more preferably 15 to 100 days, more preferably 20 to 70 days, or any other interval defined by these limits. . The residence time may also be adjusted according to the volume of effluent to be treated and its COD content, these being likely to vary suddenly, in particular due to weather conditions.
La lagune couverte peut être alimentée en effluent à traiter de manière continue ou discontinue. Dans ce dernier cas (exploitation dite « par batch »), on pourra laisser un volume en fond de la lagune couverte contenant la biomasse. Une alimentation en continu pourra résulter d’une production continue de l’effluent à traiter, qui peut alors alimenter directement en continu la lagune couverte, tel que les lixiviats de décharge, ou éventuellement via une cuve de reprise des effluents en amont de la lagune couverte. On préfèrera une alimentation en continu de la lagune afin de préserver l’équilibre de la biomasse.The covered lagoon can be supplied with effluent to be treated continuously or discontinuously. In the latter case (so-called “batch” operation), a volume can be left at the bottom of the covered lagoon containing the biomass. A continuous supply may result from a continuous production of the effluent to be treated, which can then directly supply the covered lagoon directly, such as landfill leachate, or possibly via an effluent recovery tank upstream of the lagoon. covered. We prefer a continuous supply of the lagoon in order to preserve the balance of the biomass.
Dans un mode de réalisation, on peut également prévoir une alimentation étagée de la lagune couverte : un ou plusieurs effluents peuvent alors être introduits en différents points de la lagune. Cette alimentation étagée peut être fonction de la DCO des effluents à traiter: un premier effluent à DCO plus élevée qu’un deuxième effluent étant introduit dans la lagune en amont de ce deuxième effluent. Les points d’introduction des différents effluents pourront alors être choisis en fonction du temps de séjour nécessaire pour traiter l’effluent. L’alimentation étagée pourrait également être utilisée pour introduire un même effluent ou différents effluents à des températures différentes : un ou plusieurs effluents chauffés pouvant être introduits en différents points de la lagune.In one embodiment, it is also possible to provide a stepped supply of the covered lagoon: one or more effluents can then be introduced at different points of the lagoon. This stepped supply can be a function of the COD of the effluents to be treated: a first effluent with a COD higher than a second effluent being introduced into the lagoon upstream of this second effluent. The points of introduction of the different effluents can then be chosen according to the residence time necessary to treat the effluent. The stepped supply could also be used to introduce the same effluent or different effluents at different temperatures: one or more heated effluents can be introduced at different points in the lagoon.
Dans un mode de réalisation, la lagune couverte peut être équipée de supports biologiques et/ou de chicanes, les chicanes étant formées par exemple de parois horizontales ou verticales. Ces chicanes et supports biologiques permettent de faciliter la fixation et le développement de la biomasse (accélération des cinétiques de dégradation) et de faciliter la sédimentation des particules contenues dans l’effluent (accélération de la séparation de la DCO particulaire et de la dégradation de celle-ci).In one embodiment, the covered lagoon can be equipped with biological supports and/or baffles, the baffles being formed for example of horizontal or vertical walls. These baffles and biological supports make it possible to facilitate the fixation and development of the biomass (acceleration of the degradation kinetics) and to facilitate the sedimentation of the particles contained in the effluent (acceleration of the separation of the particulate COD and the degradation of that -this).
L’étape de digestion anaérobie permet de produire un digestat avec une teneur en matière carbonée réduite. Avantageusement, la DCO de ce premier effluent liquide peut être réduite de 60 à 90%, de 70 à 90%, voire de 80 à 95%.The anaerobic digestion step produces a digestate with a reduced carbon content. Advantageously, the COD of this first liquid effluent can be reduced by 60 to 90%, by 70 to 90%, or even by 80 to 95%.
Etape b) de réduction de la teneur en azoteStep b) of reducing the nitrogen content
Le digestat provenant de la digestion anaérobie est soumis à une étape de traitement biologique produisant un deuxième effluent liquide à teneur en azote réduite.The digestate from the anaerobic digestion is subjected to a biological treatment step producing a second liquid effluent with reduced nitrogen content.
Cette étape b) peut comprendre l’un des traitements b1) à b5) décrits ci-dessous.This step b) can comprise one of the treatments b1) to b5) described below.
Le choix du traitement pourra notamment dépendre de la teneur du digestat en matière carbonée et en azote et de teneurs cibles en matière carbonée et /ou azote souhaitées pour le deuxième effluent liquide. Notamment, on pourra choisir le traitement en fonction du ratio DBO5/N-NH4+ entre la DBO5 et la concentration en ion ammonium NH4+ notée N-NH4+ (masse de l’élément azote) du digestat sortant.The choice of treatment may in particular depend on the carbonaceous matter and nitrogen content of the digestate and on the target carbonaceous matter and/or nitrogen contents desired for the second liquid effluent. In particular, the treatment can be chosen according to the BOD5/N-NH 4 + ratio between the BOD5 and the concentration of ammonium ions NH4+ noted N-NH4+ (mass of the nitrogen element) of the outgoing digestate.
La DBO5 peut être déterminée en utilisant les normes NFT 90-103-décembre 1975, EN 1899-1-mai 1998, ISO 5815-1 :2019. La concentration en N-NH4+ pourra être déterminée en utilisant les normes NFT 90-015 1 & 2 (janvier 2000) et ISO 7150-1:1984.The BOD5 can be determined using the standards NFT 90-103-December 1975, EN 1899-1-May 1998, ISO 5815-1:2019. The N-NH4+ concentration can be determined using standards NFT 90-015 1 & 2 (January 2000) and ISO 7150-1:1984.
Le traitement b1) comprend, ou consiste en, un traitement biologique de nitrification/dénitrification, comprenant notamment un traitement biologique de nitrification, notamment en condition aérobies, et un traitement biologique de dénitrification, notamment en conditions anoxiques.The treatment b1) comprises, or consists of, a biological nitrification/denitrification treatment, comprising in particular a biological nitrification treatment, in particular under aerobic conditions, and a biological denitrification treatment, in particular under anoxic conditions.
De manière connue, le traitement biologique de nitrification est réalisé en conditions aérobies par des micro-organismes autotrophes aptes à oxyder les ions ammonium (NH4+) en ions nitrites (NO2-) puis en ions nitrates (NO3-). Cette étape est habituellement réalisée en deux sous étapes de nitritation et nitratation. Le traitement biologique de dénitrification est réalisé en conditions anoxiques, par des micro-organismes hétérotrophes aptes à réduire les ions nitrates produits lors du premier traitement en ions nitrites, puis les ions nitrites en azote gazeux (N2).In a known manner, the biological nitrification treatment is carried out under aerobic conditions by autotrophic microorganisms capable of oxidizing the ammonium ions (NH4+) into nitrite ions (NO2-) then into nitrate ions (NO3-). This step is usually carried out in two sub-steps of nitritation and nitration. The biological denitrification treatment is carried out under anoxic conditions, by heterotrophic micro-organisms able to reduce the nitrate ions produced during the first treatment into nitrite ions, then the nitrite ions into gaseous nitrogen (N2).
Le traitement b1) (traitement N/DN) est plus particulièrement adapté au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ supérieur ou égal à 3 gO2/gN.Treatment b1) (N/DN treatment) is more particularly suited to the treatment of effluents having a BOD5/N-NH 4 + ratio greater than or equal to 3 gO 2 /gN.
Le traitement b2) comprend, ou consiste en, un traitement biologique de nitritation/dénitritation, comprenant notamment un traitement biologique de nitritation, notamment en conditions aérobies, et un traitement biologique de dénitritation, notamment en conditions anoxiques. Ce traitement est aussi connu sous le nom « shunt des nitrates ».The treatment b2) comprises, or consists of, a biological nitritation/denitritation treatment, comprising in particular a biological nitritation treatment, in particular under aerobic conditions, and a biological denitritation treatment, in particular under anoxic conditions. This treatment is also known as a “nitrate shunt”.
De manière connue, le traitement de nitritation est réalisé en conditions aérobies par des micro-organismes autotrophes aptes à oxyder les ions ammonium (NH4+) en ions nitrites (NO2-). Le traitement de dénitritation est réalisé en conditions anoxiques par des micro-organismes hétérotrophes aptes à réduire les ions nitrites (NO2-) en diazote (N2).In known manner, the nitritation treatment is carried out under aerobic conditions by autotrophic microorganisms capable of oxidizing ammonium ions (NH4+) to nitrite ions (NO2-). The denitritation treatment is carried out under anoxic conditions by heterotrophic micro-organisms capable of reducing nitrite ions (NO2-) to dinitrogen (N2).
Le traitement b2) est plus particulièrement adapté au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ de 1,7 à 3 gO2/gN.Treatment b2) is more particularly suited to the treatment of effluents having a BOD5/N-NH 4 + ratio of 1.7 to 3 gO 2 /gN.
Le traitement b3) comprend, ou consiste en, un traitement biologique de deammonification, comprenant notamment un traitement biologique de nitritation partielle, notamment en conditions aérobies, et un traitement biologique d’oxydation anaérobie des ions ammonium en présence d’ions nitrites.The treatment b3) comprises, or consists of, a biological deammonification treatment, comprising in particular a biological treatment of partial nitritation, in particular under aerobic conditions, and a biological treatment of anaerobic oxidation of the ammonium ions in the presence of nitrite ions.
De manière connue, le traitement de nitritation partielle est réalisé en conditions aérobies par des micro-organismes autotrophes aptes à oxyder les ions ammonium (NH4+) en ions nitrites (NO2-). Le traitement d’oxydation anaérobie est réalisé en conditions anaérobies par des micro-organismes autotrophes aptes à oxyder les ions ammonium (NH4+) en diazote (N2) en présence d’ions nitrites (NO2-) (bactéries Anammox).In known manner, the partial nitritation treatment is carried out under aerobic conditions by autotrophic microorganisms capable of oxidizing ammonium ions (NH4+) to nitrite ions (NO2-). The anaerobic oxidation treatment is carried out under anaerobic conditions by autotrophic micro-organisms capable of oxidizing ammonium ions (NH4+) to dinitrogen (N2) in the presence of nitrite ions (NO2-) (Anammox bacteria).
Le traitement b3) (traitement NP/A) est plus particulièrement adapté au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ inférieur à 1,7 gO2/gN, pour lesquels il n’est pas souhaité de réduire davantage la teneur en matière carbonée.Treatment b3) (NP/A treatment) is more particularly suited to the treatment of effluents with a BOD5/N-NH 4 + ratio of less than 1.7 gO 2 /gN, for which it is not desired to further reduce the carbon content.
On pourra par ailleurs prévoir de combiner les traitements b2) et b3) : ainsi dans une première configuration, le traitement b4) comprend, ou consiste en, la réalisation successive des traitements b2) et b3), et optionnellement une recirculation d’une partie de l’effluent issu du traitement biologique de deammonification vers le traitement biologique b2). Dans cette première configuration, la pollution ammoniacale (NH4 +) sera traitée autant que le carbone le permet dans le shunt des nitrates (traitement b2). La composition azotée de l’effluent de sortie du shunt des nitrates sera majoritairement ammoniacale, comme l’effluent d’entrée. Le procédé permettra donc une réduction du flux ammoniacal mais sans changement majeur de la distribution des espèces azotées entre l’entrée et la sortie du traitement b2). Le traitement b3) (nitritation partielle suivie d’une oxydation de l’ammonium) en aval du shunt des nitrates permet le traitement de la pollution ammoniacale résiduelle.Provision may also be made to combine the treatments b2) and b3): thus in a first configuration, the treatment b4) comprises, or consists of, the successive performance of the treatments b2) and b3), and optionally a recirculation of a part of the effluent from the biological deammonification treatment to the biological treatment b2). In this first configuration, the ammonia pollution (NH 4 + ) will be treated as much as the carbon allows in the nitrate shunt (treatment b2). The nitrogenous composition of the outlet effluent from the nitrate shunt will be predominantly ammoniacal, like the inlet effluent. The process will therefore allow a reduction in the ammonia flow but without a major change in the distribution of the nitrogenous species between the inlet and the outlet of the treatment b2). Treatment b3) (partial nitritation followed by ammonium oxidation) downstream of the nitrate shunt allows treatment of the residual ammoniacal pollution.
Dans une seconde configuration, le traitement b5) comprend, ou consiste en, un traitement biologique de nitritation partielle, un traitement biologique de dénitritation et un traitement biologique d’oxydation anaérobie des ions ammonium en présence d’ions nitrites. Les traitements biologiques de nitritation partielle et de dénitritation sont mis en œuvre avec les mêmes bactéries qu’un traitement de shunt des nitrates. Ces deux traitements correspondent ainsi à un traitement b2) de shunt des nitrates modifié dans lequel le traitement de nitritation a été modifié afin d’inclure la nitritation partielle opérée dans b3).In a second configuration, the treatment b5) comprises, or consists of, a biological treatment of partial nitritation, a biological treatment of denitritation and a biological treatment of anaerobic oxidation of ammonium ions in the presence of nitrite ions. Partial nitritation and denitritation biological treatments are implemented with the same bacteria as a nitrate shunt treatment. These two treatments thus correspond to a modified nitrate shunt treatment b2) in which the nitritation treatment has been modified in order to include the partial nitritation carried out in b3).
Le traitement biologique d’oxydation anaérobie des ions ammonium en présence d’ions nitrites est quant à lui réalisé en conditions anaérobies par des micro-organismes autotrophes aptes à oxyder les ions ammonium (NH4 +) en diazote (N2) en présence d’ions nitrites (NO2 -) (bactéries Anammox). Ce traitement correspond donc à une partie seulement du traitement de déammonification décrit plus haut, i.e. à un traitement b3) modifié.The biological treatment of anaerobic oxidation of ammonium ions in the presence of nitrite ions is carried out under anaerobic conditions by autotrophic micro-organisms capable of oxidizing ammonium ions (NH 4 + ) to dinitrogen (N 2 ) in the presence of nitrite ions (NO 2 - ) (Anammox bacteria). This treatment therefore corresponds to only part of the deammonification treatment described above, ie to a modified treatment b3).
Le traitement b2) ainsi modifié permet de traiter la pollution ammoniacale (NH4 +) autant que le carbone le permet tout en prenant en charge la nitritation partielle d’un traitement de déammonification (étape préalable à l’action des bactéries Anammox). Il y aura donc non seulement un abattement de l’azote dans cette étape, mais aussi une transformation dans la distribution des espèces azotées. Ce traitement sera de préférence réalisé dans des conditions permettant d’obtenir en sortie un effluent présentant un ratio de concentrations nitrite/ammonium permettant son traitement par les bactéries Anammox. Ce ratio est par exemple de 0,8 à 1,8, de préférence de 1,1 à 1,5 gN/gN. L’effluent obtenu en sortie du traitement b2) modifié est ensuite traité par les bactéries Anammox afin d’abattre l’azote résiduel.The treatment b2) thus modified makes it possible to treat the ammoniacal pollution (NH 4 + ) as much as the carbon allows while supporting the partial nitritation of a deammonification treatment (step prior to the action of the Anammox bacteria). There will therefore not only be a reduction in nitrogen in this stage, but also a transformation in the distribution of nitrogenous species. This treatment will preferably be carried out under conditions making it possible to obtain at the outlet an effluent having a ratio of nitrite/ammonium concentrations allowing it to be treated by the Anammox bacteria. This ratio is for example from 0.8 to 1.8, preferably from 1.1 to 1.5 gN/gN. The effluent obtained at the outlet of the modified treatment b2) is then treated with Anammox bacteria in order to reduce the residual nitrogen.
La nitritation partielle pourra être obtenue de manière usuelle en contrôlant des paramètres tels que les concentrations en espèces azotées, l’apport en oxygène, le temps de séjour hydraulique et l’âge des boues.Partial nitritation can be obtained in the usual way by controlling parameters such as the concentrations of nitrogenous species, the oxygen supply, the hydraulic residence time and the age of the sludge.
Les première et deuxième configurations b4), b5) sont particulièrement adaptées au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ inférieur à 1,7 gO2/gN dont on souhaite réduire davantage la teneur en matière carbonée restante.The first and second configurations b4), b5) are particularly suitable for the treatment of effluents having a BOD5/N-NH 4 + ratio of less than 1.7 gO 2 /gN, the content of remaining carbonaceous matter of which it is desired to further reduce.
Dans un mode de réalisation particulier des traitements b4) et b5), on pourra prévoir une recirculation d’une partie de l’effluent riche en nitrates issu du traitement biologique d’oxydation anaérobie par les bactéries Anammox, vers le traitement biologique b2), notamment vers au moins un des traitements biologique de nitritation et dénitritation de b2), ou vers le traitement b2) modifié, notamment vers au moins un des traitements biologiques de nitritation partielle et de dénitritation de b2) modifié. Cela doit permettre une dégradation de ces nitrates lors de la dénitritation opérée en b2) ou b2) modifié. En effet, lorsque la teneur en azote est trop importante en entrée du traitement par les bactéries Anammox, celles-ci produisant du nitrate à hauteur de 11% de la charge appliquée en azote ammoniacal et nitreux, il est possible qu’une quantité trop importante de nitrates soit encore présente dans l’effluent. Une solution est de recirculer une fraction de cet effluent vers b2) ou b2) modifié où elle pourra être traitée par nitritation et dénitritation.In a particular embodiment of the treatments b4) and b5), it is possible to provide for a recirculation of part of the effluent rich in nitrates resulting from the biological treatment of anaerobic oxidation by the Anammox bacteria, towards the biological treatment b2), in particular towards at least one of the biological treatments of nitritation and denitritation of b2), or towards the treatment b2) modified, in particular towards at least one of the biological treatments of partial nitritation and denitritation of b2) modified. This should allow degradation of these nitrates during the denitritation carried out in b2) or b2) modified. Indeed, when the nitrogen content is too high at the input of the treatment by the Anammox bacteria, these producing nitrate up to 11% of the load applied in ammoniacal and nitrous nitrogen, it is possible that too large a quantity of nitrates is still present in the effluent. One solution is to recirculate a fraction of this effluent to b2) or b2) modified where it can be treated by nitritation and denitritation.
Dans un mode de réalisation, le traitement b3) pourra être suivi d’un traitement de post dénitrification afin d’éliminer l’azote éventuellement encore présent. Ce traitement post dénitrification peut être un traitement de biofiltration, associant une épuration biologique par cultures fixées et une rétention des matières en suspension. On pourra par exemple utiliser à cet effet le procédé Biofor®. Un ajout de carbone exogène (méthanol ou équivalent) peut alors être nécessaire. D’autres traitements tels que disques biologiques et lits bactériens (culture bactérienne fixée), boues activées (culture bactérienne libre), lits de roseaux peuvent aussi être envisagés comme traitement de post dénitrification.In one embodiment, the treatment b3) may be followed by a post denitrification treatment in order to eliminate any nitrogen still present. This post-denitrification treatment can be a biofiltration treatment, combining biological purification by fixed cultures and retention of suspended solids. For example, the Biofor® process can be used for this purpose. An addition of exogenous carbon (methanol or equivalent) may then be necessary. Other treatments such as biological discs and bacterial beds (fixed bacterial culture), activated sludge (free bacterial culture), reed beds can also be considered as post denitrification treatment.
Les différents traitements b1) à b5) mettent en œuvre des traitements biologiques bien connus. L’homme du métier saura choisir les conditions de chacun de ces traitements, notamment température et temps de séjour, pour obtenir l’élimination souhaitée de l’azote, voire du carbone, en fonction des bactéries présentes, de la teneur du digestat en azote, voire en carbone, et du volume de digestat à traiter.The various treatments b1) to b5) implement well-known biological treatments. Those skilled in the art will be able to choose the conditions for each of these treatments, in particular temperature and residence time, to obtain the desired elimination of nitrogen, or even carbon, depending on the bacteria present, the nitrogen content of the digestate , or even carbon, and the volume of digestate to be treated.
Les traitements b1) à b5) comprennent chacun des étapes en conditions aérobies et anoxiques. Ces étapes peuvent être réalisées par mise en œuvre de cycles aérés/non aérés dans un unique réacteur, par exemple un réacteur séquentiel aussi appelé réacteur SBR (Sequential Batch Reactor), un réacteur à cultures mixtes et alimentation continue (MeteorTM-IFAS), ou dans des réacteurs distincts, notamment avec une recirculation entre ceux-ci. L’utilisation de réacteurs distincts permet un traitement en continu des effluents. Dans tous les cas, l’invention n’est pas limitée par le nombre de réacteurs utilisés, notamment plusieurs réacteurs fonctionnant chacun selon des cycles aérés/non aérés peuvent être prévus, ou on peut prévoir plusieurs réacteurs à alimentation continue ou des réacteurs successifs comprenant des SBR et des réacteurs à alimentation continue.Treatments b1) to b5) each include steps under aerobic and anoxic conditions. These steps can be carried out by implementing aerated/non-aerated cycles in a single reactor, for example a sequential reactor also called SBR reactor (Sequential Batch Reactor), a reactor with mixed cultures and continuous feeding (Meteor TM -IFAS), or in separate reactors, in particular with recirculation between them. The use of separate reactors allows continuous treatment of the effluents. In any case, the invention is not limited by the number of reactors used, in particular several reactors each operating according to aerated/non-aerated cycles can be provided, or several continuous feed reactors or successive reactors comprising SBRs and continuous feed reactors.
A titre d’exemple, les traitements décrits ci-dessus pourront par exemple être mis en œuvre tel que décrit dans les documents WO2007014994A1 (shunt des nitrates), WO2014111878A1 (NP/A), WO2015004583 (N/DN), WO2016020805A1 (NP/A), WO2019069031A1 (NP/A).By way of example, the treatments described above could for example be implemented as described in the documents WO2007014994A1 (nitrate shunt), WO2014111878A1 (NP/A), WO2015004583 (N/DN), WO2016020805A1 (NP/ A), WO2019069031A1 (NP/A).
Description de l’installationDescription of the installation
En référence à la
Cette installation comprend une lagune couverte 10 équipée d’un dispositif de récupération du biogaz 12 et d’un dispositif d’évacuation d’un digestat liquide 14.This installation includes a covered lagoon 10 equipped with a biogas recovery device 12 and a liquid digestate evacuation device 14.
La lagune pourra consister en un bassin creusé et dont le fond sera revêtu d’un matériau imperméable (béton, géomembrane…) ceci afin d’éviter les infiltrations dans le milieu environnant. Cet ouvrage sera surmonté d’une couverture qui pourra être flottante ou à arceaux, qui assurera l’étanchéité du système, afin d’assurer un captage complet du gaz produit. Le système pourra également être doté d’équipements de sécurité permettant de gérer la pression en gaz de l’enceinte.The lagoon may consist of a dug basin, the bottom of which will be covered with an impermeable material (concrete, geomembrane, etc.) in order to prevent infiltration into the surrounding environment. This structure will be surmounted by a cover which may be floating or with arches, which will ensure the tightness of the system, in order to ensure complete capture of the gas produced. The system may also be fitted with safety equipment to manage the gas pressure in the containment.
L’ouvrage pourra aussi consister en un système type « oreiller » ou « pillow tank », qui consiste en une poche de fermentation tout en un, dont une partie est dédiée au stockage liquide et l’autre au stockage biogaz.The structure may also consist of a “pillow” or “pillow tank” type system, which consists of an all-in-one fermentation ladle, one part of which is dedicated to liquid storage and the other to biogas storage.
Cette lagune couverte 10 est reliée à une source 2 d’effluent, qui peut être une cuve de reprise, tel que représenté sur la
En aval de la lagune couverte 10, on pourra prévoir une capacité de stockage 16 du digestat liquide, de préférence une lagune ouverte bien qu’une cuve ou similaire puisse être envisagée.Downstream of the covered lagoon 10, a storage capacity 16 for the liquid digestate can be provided, preferably an open lagoon, although a tank or similar can be envisaged.
Le digestat est ensuite traité dans au moins un réacteur de traitement biologique 20. Il peut s’agir d’un réacteur SBR fonctionnant en alternance de cycles aérobies/anoxiques, ou de deux réacteurs, l’un pour les phases aérobies, l’autre pour les phases anoxiques.The digestate is then treated in at least one biological treatment reactor 20. This may be an SBR reactor operating in alternating aerobic/anoxic cycles, or two reactors, one for the aerobic phases, the other for the anoxic phases.
Des exemples de mise en œuvre du traitement du digestat par les traitements b1)-b5) sont décrits ci-après. L’invention n’est toutefois pas limitée par ces modes de réalisation.Examples of implementation of the treatment of the digestate by the treatments b1)-b5) are described below. However, the invention is not limited by these embodiments.
Le traitement b1) du digestat par N/DN peut être mis en œuvre au moyen de deux réacteurs, l’un pour les étapes aérobies, l’autre pour les étapes anoxiques, avec une recirculation de fluide entre les deux réacteurs.The treatment b1) of the digestate by N/DN can be implemented using two reactors, one for the aerobic stages, the other for the anoxic stages, with fluid recirculation between the two reactors.
Le traitement b2) du digestat par shunt des nitrates, peut être mis en œuvre dans un unique réacteur, de préférence un réacteur SBR.The treatment b2) of the digestate by nitrate shunt can be implemented in a single reactor, preferably an SBR reactor.
Le traitement b3) du digestat par NP/A peut être mis en œuvre dans un unique réacteur, par exemple un réacteur SBR à niveau constant.The treatment b3) of the digestate by NP/A can be implemented in a single reactor, for example a constant level SBR reactor.
Le traitement b4) du digestat par shunt des nitrates puis NP/A peut être mis en œuvre au moyen d’un réacteur dédié au traitement de shunt des nitrates et d’un autre réacteur dédié au traitement NP/A, avec optionnellement une recirculation entre les deux réacteurs.The treatment b4) of the digestate by nitrate shunt then NP/A can be implemented by means of a reactor dedicated to the nitrate shunt treatment and another reactor dedicated to the NP/A treatment, with optional recirculation between the two reactors.
Le traitement b5) du digestat peut être mis en œuvre au moyen d’un réacteur dédié au traitement par shunt des nitrates modifié (par exemple en prolongeant l’aération du réacteur pour réaliser la nitritation partielle) et un autre réacteur pour le traitement par les bactéries Anammox.The treatment b5) of the digestate can be implemented by means of a reactor dedicated to the treatment by shunt of modified nitrates (for example by extending the aeration of the reactor to carry out partial nitritation) and another reactor for the treatment by Anammox bacteria.
ExemplesExamples
Exemple 1 : test de potentiel méthanogèneExample 1: methanogenic potential test
Le potentiel méthanogène (noté BMP) correspond à la quantité maximale de méthane produit par un composé lors de sa dégradation. Des tests de potentiel méthanogène (tests BMP) ont été réalisés afin de déterminer l’abattement de DCO atteignable et la production de méthane associée.The methanogenic potential (denoted BMP) corresponds to the maximum quantity of methane produced by a compound during its degradation. Methanogenic potential tests (BMP tests) were carried out in order to determine the achievable COD reduction and the associated methane production.
Quatre effluents (substrats) ont été étudiés : 3 jus de camion MJC1, MJC2 et MJC4 et 1 lixiviat ML1. Leur composition biochimique est rapportée dans le Tableau 3.Four effluents (substrates) were studied: 3 truck juices MJC1, MJC2 and MJC4 and 1 leachate ML1. Their biochemical composition is reported in Table 3.
Les jus étudiés, particulièrement MJC 1 et MJC 4, présentent des caractéristiques de liqueurs organiques : pH acide et forte teneur en matière organique. Le lixiviat ML1 et jus MJC 2 sont eux moins organiques : ils contiennent respectivement 29,4 et 33,7g MV/L. Leur pH est supérieur à 7. Il est à noter que la quantité de matières en suspension du lixiviat testé est importante : 12g/L ; et peu organique (29%). Cela peut être expliqué en partie par le fait que les lixiviats étudiés sont drainés à leur sortie de la décharge directement sur un sol argileux, entraînant par là même des quantités importantes d’argile.The juices studied, particularly MJC 1 and MJC 4, have characteristics of organic liquors: acid pH and high organic matter content. ML1 leachate and MJC 2 juice are less organic: they contain 29.4 and 33.7g MV/L respectively. Their pH is greater than 7. It should be noted that the amount of suspended matter in the leachate tested is high: 12g/L; and not very organic (29%). This can be partly explained by the fact that the leachates studied are drained on leaving the landfill directly on clay soil, thereby entraining large quantities of clay.
Les tests BMP ont été réalisés de la manière suivante. Les flacons sont préparés en triplicats, en mélangeant chaque substrat testé avec l’inoculum selon le ratio Substrat/Inoculum de 0,8 g de DCO substrat / g de MV inoculum, pour un volume total de 400 mL (volume substrat + inoculum). Ces flacons sont ensuite incubés en anaérobiose à la température 37°C. La production de méthane est mesurée automatiquement en continu, grâce à un débitmètre volumétrique. Des flacons contenant de la soude permettent d’absorber le CO2produit par la biomasse avant que le gaz n’atteigne le débitmètre de comptage.The BMP tests were performed as follows. The flasks are prepared in triplicate, by mixing each substrate tested with the inoculum according to the Substrate/Inoculum ratio of 0.8 g of COD substrate/g of MV inoculum, for a total volume of 400 mL (substrate volume + inoculum). These flasks are then incubated in anaerobiosis at a temperature of 37°C. Methane production is automatically measured continuously, using a volumetric flowmeter. Flasks containing sodium hydroxide make it possible to absorb the CO 2 produced by the biomass before the gas reaches the metering flowmeter.
Pour chaque série de tests, des flacons témoins (ou références froides) sont préparés avec uniquement de l’inoculum. Ils permettent de suivre la production de méthane endogène, c’est-à-dire issue de la dégradation de la matière organique résiduelle que contient l’inoculum. Cette production endogène est déduite de la production des flacons tests, afin de déterminer la production issue de la dégradation du substrat lui-même. Les solutions suivantes sont ajoutées dans chaque flacon, afin de prévenir toute carence du milieu qui pourrait fausser le test :For each series of tests, control vials (or cold references) are prepared with only inoculum. They make it possible to monitor the production of endogenous methane, i.e. resulting from the degradation of the residual organic matter contained in the inoculum. This endogenous production is deduced from the production of the test bottles, in order to determine the production resulting from the degradation of the substrate itself. The following solutions are added to each vial, in order to prevent any deficiency in the medium which could falsify the test:
- 0,4 mL de solution de micronutriments (Fe, B, Zn, Cu, Mn, Mo, Al, Co, Ni, Se),0.4 mL of micronutrient solution (Fe, B, Zn, Cu, Mn, Mo, Al, Co, Ni, Se),
- 4mL de solution de macronutriments (NH4+, Na, Mg, Ca)4mL of macronutrient solution (NH4+, Na, Mg, Ca)
- 8mL de tampon phosphate8mL of phosphate buffer
La DCO totale a été déterminée en utilisant des kits Hach Lange LCK 514 selon les méthodes ISO 6060-1989, DIN 38409-H41-H44. La concentration en azote N-NH4+ a été déterminée en utilisant des kits Hach Lange LCK 303, selon les méthodes ISO 7150-1 :1984, DIN 38406 E5-1, UNI 11669:2017.Total COD was determined using Hach Lange LCK 514 kits according to ISO 6060-1989, DIN 38409-H41-H44 methods. The N-NH4+ nitrogen concentration was determined using Hach Lange LCK 303 kits, according to ISO 7150-1:1984, DIN 38406 E5-1, UNI 11669:2017 methods.
Les résultats sont représentés sur la
Les taux de dégradation de la matière organique sont très intéressants puisqu’ils varient entre 70 et 90% de la DCO entrante. Ces substrats sont donc largement biodégradables par méthanisation. Leur potentiel méthanogène rapporté à la matière brute est compris entre 14 et 22 Nm3CH4/m3de substrat entrant.The organic matter degradation rates are very interesting since they vary between 70 and 90% of the incoming COD. These substrates are therefore largely biodegradable by methanation. Their methanogenic potential relative to the raw material is between 14 and 22 Nm 3 CH 4 /m 3 of incoming substrate.
Exemple 2 : tests de laboratoire, élimination de l’azote par voie AnammoxExample 2: laboratory tests, elimination of nitrogen by the Anammox route
Pendant toute la durée de l'essai, des lixiviats ont été échantillonnés dans une installation de stockage en France exploitée par Suez toutes les deux à quatre semaines. Le tableau 5 donne les valeurs moyennes des caractéristiques des lixiviats obtenues pour l'ensemble de l'essai.Throughout the duration of the trial, leachate was sampled from a storage facility in France operated by Suez every two to four weeks. Table 5 gives the mean values of the characteristics of the leachates obtained for the entire test.
mg/LCODtot
mg/L
mg/LCODs
mg/L
Le lixiviat utilisé présente ainsi un ratio DCOtot/N-NH4 de 1,7 gO2/gN.The leachate used thus has a CODtot/N-NH4 ratio of 1.7 gO 2 /gN.
Pour l'ensemble de l'essai, le lixiviat a été utilisé pour alimenter les réacteurs après une dilution préalable de 60% avec de l'eau déchlorée. Après dilution, on a donc en moyenne: DCOtot = 282 mg O2/L et N-NH4 = 165 mgN/,/L, avec un ratio DCOtot/N-NH4 inchangé.For the entire test, the leachate was used to feed the reactors after a prior dilution of 60% with dechlorinated water. After dilution, we therefore have on average: CODtot = 282 mg O 2 /L and N-NH4 = 165 mgN/,/L, with an unchanged CODtot/N-NH4 ratio.
Le lixiviat dilué a ensuite été dopé avec du nitrite de sodium afin de simuler une nitritation partielle préalable. Le dopage a été effectué de manière à obtenir un rapport nitrite sur ammonium de 1,32 gN/gN, conformément au rapport stoechiométrique de la réaction Anammox. Cette dilution suivi d’un dopage permet de simuler un lixiviat qui contenait, avant NP, une concentration en N-NH4+ égale à la somme des ions ammonium et nitrite. Durant l’ensemble de l’essai, cette valeur a varié de 300 et 800 mgN/L. Compte tenu des écarts types (voir tableau 5), une gamme de ratio DCOtot/N-NH4 allant de 1,1 à 0,25 gO2/gN a été étudiée. Une telle gamme de ratio est en cohérence avec des effluents sortant d’une digestion anaérobie et dont le carbone a d’ores et déjà été au moins partiellement traité.The dilute leachate was then spiked with sodium nitrite to simulate prior partial nitritation. The doping was carried out so as to obtain a nitrite to ammonium ratio of 1.32 gN/gN, in accordance with the stoichiometric ratio of the Anammox reaction. This dilution followed by doping makes it possible to simulate a leachate which contained, before NP, a concentration of N-NH4+ equal to the sum of the ammonium and nitrite ions. Throughout the test, this value varied between 300 and 800 mgN/L. Taking into account the standard deviations (see table 5), a range of CODtot/N-NH4 ratio ranging from 1.1 to 0.25 gO 2 /gN was studied. Such a range of ratios is consistent with effluents coming out of anaerobic digestion and whose carbon has already been at least partially treated.
Deux bioréacteurs, R1 et R2, entièrement équipés et automatisés de type BioFlo 310 de New Brunswick Scientific - d'Eppendorf, ont été mis en place. Les deux réacteurs sont composés d'un réservoir en verre de 7,25 litres avec un échangeur de chaleur placé sous la cuve de réaction. Une pompe est utilisée pour alimenter la solution au fond du réacteur. L'évacuation du réacteur est assurée par le débordement de l'effluent lors de l'alimentation du réacteur. Les granules contenus dans l'effluent sont récupérés et remis dans le réacteur. Un système de brassage à trois pales homogénéise la biomasse. La vitesse a été fixée à 80 tours par minute pour assurer un bon mélange sans compromettre l'intégrité des granules d'Anammox.Two bioreactors, R1 and R2, fully equipped and automated of the BioFlo 310 type from New Brunswick Scientific - from Eppendorf, were set up. Both reactors consist of a 7.25 liter glass tank with a heat exchanger placed under the reaction vessel. A pump is used to feed the solution to the bottom of the reactor. The evacuation of the reactor is ensured by the overflow of the effluent when feeding the reactor. The granules contained in the effluent are recovered and returned to the reactor. A three-blade stirring system homogenizes the biomass. The speed was set at 80 rpm to ensure good mixing without compromising the integrity of the Anammox granules.
Les deux réacteurs ont été exploités selon le procédé SBR (Sequencing Batch Reactor), avec le cycle suivant :The two reactors were operated using the SBR (Sequencing Batch Reactor) process, with the following cycle:
- Alimentation et vidange simultanées : alimentation de l’eau à traiter au fond du réacteur, l’eau traitée s’écoulant par débordement du réacteur en même temps.- Simultaneous supply and emptying: supply of the water to be treated at the bottom of the reactor, the treated water flowing by overflow from the reactor at the same time.
- Réaction : la cuve de réaction a été mélangée et maintenue dans des conditions anoxiques pour que la réaction Anammox se produise.- Reaction: The reaction vessel was mixed and maintained under anoxic conditions for the Anammox reaction to occur.
- Décantation : la biomasse d'Anammox est décantée pendant 15 minutes.- Decantation: the Anammox biomass is decanted for 15 minutes.
La fréquence et la durée des cycles ont varié au cours de l'essai en fonction de la charge appliquée ciblée, des performances, de la concentration en azote de l'effluent d’entrée et du temps de rétention hydraulique souhaité.The frequency and duration of the cycles varied during the test depending on the targeted applied load, performance, nitrogen concentration of the inlet effluent and the desired hydraulic retention time.
Différentes phases ont été envisagées au cours de l'essai, rassemblées dans le tableau 6. Tout d'abord, environ trois mois ont été consacrés au démarrage du réacteur et à l'adaptation de la biomasse de l'Anammox à une matrice lixiviat (phases 1 et 2). Ensuite, deux mois ont été consacrés au suivi des performances tandis qu'une augmentation progressive de la NLR a été appliquée. Pendant ces périodes, un lixiviat présentant une teneur en azote TN de 300 mgN/L a été utilisé (phase 3). Ensuite, la teneur en azote TN et la conductivité de l’alimentation ont été progressivement augmentées jusqu'à 800 mgN/L et 8 mS/cm respectivement (phase 4). Ici aussi, les performances ont été suivies pendant un mois et demi. Par la suite, un essai de température a été réalisé pendant trois mois et demi (phases 5 et 6). Toutes les phases précédentes ont été réalisées à 26°C. La température a été abaissée progressivement jusqu'à 14°C. Cette période a malheureusement souffert de problèmes techniques sur les équipements qui ont compromis le bon fonctionnement des réacteurs. Durant ces cinq premières phases, R1 et R2 ont fonctionné comme réplica l’un de l’autre. En phase 6, la température a été repassée a 20°C uniquement dans R1, R2 restant à 14°C, pour tester la reprise de l’activité bactérienne.Different phases were considered during the test, summarized in Table 6. First of all, around three months were devoted to starting up the reactor and adapting the Anammox biomass to a leachate matrix ( stages 1 and 2). Next, two months were spent monitoring performance while a gradual increase in NLR was applied. During these periods, a leachate with a TN nitrogen content of 300 mgN/L was used (phase 3). Then, the TN nitrogen content and feed conductivity were gradually increased up to 800 mgN/L and 8 mS/cm respectively (phase 4). Here too, performance was monitored for a month and a half. Subsequently, a temperature test was carried out for three and a half months (phases 5 and 6). All the previous phases were carried out at 26°C. The temperature was gradually lowered to 14°C. This period unfortunately suffered from technical problems on the equipment which compromised the proper functioning of the reactors. During these first five phases, R1 and R2 functioned as replicas of each other. In phase 6, the temperature was returned to 20°C only in R1, R2 remaining at 14°C, to test the resumption of bacterial activity.
Des analyses ont été effectuées pour contrôler les performances des processus sur les deux réacteurs. Elles portent sur le NH4+, le NO2-, le NO3-, le pH, la conductivité. Elles ont été effectuées quotidiennement pour les échantillons prélevés dans la cuve au début et à la fin du batch de réaction et chaque semaine pour la solution d’alimentation. Des kits de microtubes Hach ont été utilisés.Analyzes were carried out to monitor the performance of the processes on the two reactors. They relate to NH4+, NO2-, NO3-, pH, conductivity. They were carried out daily for the samples taken from the tank at the beginning and at the end of the reaction batch and every week for the feed solution. Hach microtube kits were used.
Résultats et discussionResults and discussion
1.1 Démarrage et augmentation de la charge1.1 Starting and increasing the load
Pendant toute cette période, la température dans les deux réacteurs a été constante et égale à 26°C. La
Par la suite, à partir du jour 82, le débit d'entrée quotidien a été augmenté (phase 3) par une augmentation du nombre de cycles par jour et du volume à chaque alimentation. Ainsi, en 53 jours, la charge a été multipliée par 3. Malgré cette augmentation très importante de la NLR associée à une réduction de 2,5 fois du temps de rétention hydraulique (HRT), les RR ont toujours été maintenus entre 80 et 90%.Subsequently, from day 82, the daily input rate was increased (phase 3) by increasing the number of cycles per day and the volume at each feed. Thus, in 53 days, the load was multiplied by 3. Despite this very significant increase in the NLR associated with a 2.5 times reduction in the hydraulic retention time (HRT), the RRs were always maintained between 80 and 90 %.
A partir de la phase 4, la concentration de TN dans l’alimentation a été progressivement augmentée jusqu'à 800 mgN/L (345 mgN-NH4/L et 455 mgN-NO2/L). De façon cohérente avec l'augmentation de la concentration d'azote, le débit d'entrée a été diminué et le HRT a augmenté afin de maintenir la NLR constante. Le RR mesuré, stable entre 80 et 90% avec une valeur moyenne de 88% pour les deux réacteurs, a reflété la très bonne performance malgré l'augmentation de la concentration en TN. Il faut également noter que durant la phase 4, la conductivité de la solution d’alimentation est passée d'environ 4 à 8 mS.cm-1.From phase 4, the concentration of TN in the diet was gradually increased to 800 mgN/L (345 mgN-NH 4 /L and 455 mgN-NO 2 /L). Consistent with increasing nitrogen concentration, inlet flow was decreased and HRT increased to keep NLR constant. The measured RR, stable between 80 and 90% with an average value of 88% for the two reactors, reflected the very good performance despite the increase in the TN concentration. It should also be noted that during phase 4, the conductivity of the feed solution increased from about 4 to 8 mS.cm -1 .
La concentration de TN en sortie, correspondant à la somme de trois espèces d'azote (ammonium, nitrites, nitrates) a toujours été maintenue en dessous de 100 mgN/L. Cette phase met donc en évidence l'adéquation du traitement à base d'Anammox pour une large gamme de concentrations d'azote dans les lixiviats (jusqu'à 800 mg/L) et de conductivité (jusqu'à 8 mS.cm-1).The outlet TN concentration, corresponding to the sum of three nitrogen species (ammonium, nitrites, nitrates) was always kept below 100 mgN/L. This phase therefore highlights the suitability of the Anammox-based treatment for a wide range of nitrogen concentrations in the leachates (up to 800 mg/L) and conductivity (up to 8 mS.cm -1 ).
Les activités Anammox mesurées dans les deux réacteurs ont également confirmé la bonne acclimatation et la croissance de la population bactérienne (non montré). Des activités de plus de 300 mgN/L/j ont été obtenues à la fin de la troisième phase. Au cours de la quatrième phase, la modification de la qualité de l’alimentation en termes de concentration et de conductivité de la TN n'a pas eu d'incidence sur les activités. On a même observé une augmentation jusqu'à 390 mgN/L/j pour R1 et plus de 700 mgN/L/j pour R2.The Anammox activities measured in the two reactors also confirmed the good acclimatization and the growth of the bacterial population (not shown). Activities of more than 300 mgN/L/d were obtained at the end of the third phase. During the fourth phase, the change in power quality in terms of TN concentration and conductivity did not affect activities. An increase was even observed up to 390 mgN/L/d for R1 and more than 700 mgN/L/d for R2.
1.2 Essai de température1.2 Temperature test
À partir du 176e jour, la température a été progressivement abaissée de 26°C à 14°C dans les deux réacteurs R1 et R2 (phase 5). Dans la phase 6, la récupération de R1 après le rétablissement d'une température de 20°C a été étudiée, tandis que R2 est resté à 14°C. Pour l'ensemble de cet essai de température, la même NLR que dans la phase 4 a été ciblé (0,4 kgN/m3/j) et la même solution d’alimentation a été utilisée (800 mgN/L). De plus, certains problèmes techniques ont eu un impact critique sur le fonctionnement des réacteurs du jour 208 au jour 235 et du jour 261 jusqu'à la fin. Ces périodes sont représentées par une ligne rouge sur l'axe des X dans les figures 4 et 5.From the 176th day, the temperature was gradually lowered from 26°C to 14°C in the two reactors R1 and R2 (phase 5). In phase 6, the recovery of R1 after the restoration of a temperature of 20°C was studied, while R2 remained at 14°C. For this entire temperature test, the same NLR as in phase 4 was targeted (0.4 kgN/m 3 /d) and the same feed solution was used (800 mgN/L). In addition, certain technical problems had a critical impact on the operation of the reactors from day 208 to day 235 and from day 261 until the end. These periods are represented by a red line on the x-axis in Figures 4 and 5.
La
Lorsque la température a été fixée à 16°C (jour 196), le RR, en particulier pour R1, a légèrement diminué. Le RR moyen entre le 196e et le 206e jour (avant les problèmes techniques) était en effet de 81 et 83 % pour R1 et R2, respectivement. Cette perte de performances a été amplifiée par la suite, mais pas seulement en raison du dysfonctionnement de l'équipement. Différentes raisons peuvent expliquer ce comportement et la concentration totale d'azote dans la sortie présentée dans la
Tout d'abord, la concentration d'azote total au début de la phase 5 (jusqu'au 196e jour) s'est stabilisée autour de 100 mgN/L. A partir du 196e jour, la concentration en TN a augmenté jusqu'à des valeurs supérieures à 150 mg/L. De plus, alors que le pourcentage de N-NO3dans la concentration de TN à la sortie entre le 176e et le 196e jour était de 87 et 85 %, ce rapport est tombé à 48 et 66 % dans R1 et R2, respectivement, les jours suivants. Cela prouve que davantage de substrats se sont accumulés dans le réacteur plutôt que d'être transformés en N2et N-NO3. Il met en évidence une diminution de l'activité de l'Anammox à 16°C. En conséquence, des concentrations élevées de nitrites, potentiellement inhibiteurs de la réaction de l'Anammox, ont été mesurées (supérieures à 100 mgN-NO2/L). Couplé à la baisse de température, cela a entraîné une accumulation encore plus prononcée et une boucle préjudiciable se terminant par la perte totale de l'activité de l'Anammox.First, the total nitrogen concentration at the start of phase 5 (until day 196) stabilized around 100 mgN/L. From the 196th day, the TN concentration increased to values above 150 mg/L. Moreover, while the percentage of N-NO 3 in the TN concentration at discharge between day 176 and day 196 was 87 and 85%, this ratio fell to 48 and 66% in R1 and R2, respectively, the next days. This proves that more substrates have accumulated in the reactor rather than being transformed into N 2 and N-NO 3 . It highlights a decrease in the activity of Anammox at 16°C. Consequently, high concentrations of nitrites, potentially inhibitors of the Anammox reaction, were measured (greater than 100 mgN-NO 2 /L). Coupled with the drop in temperature, this resulted in even more pronounced accumulation and a detrimental loop ending in the complete loss of Anammox activity.
A partir du jour 236, les deux réacteurs ont été à nouveau opérationnels. Une NLR de 0,07 kgN/m3/j a été appliquée afin de récupérer progressivement l'activité Anammox. Les RR étaient très élevés, mais c'était une conséquence directe des lavages manuels des réacteurs. Pour les deux réacteurs, des activités comprises entre 50 et 150 mgN/L/j ont été constatées. Aucune activité stable ni aucune performance n'a été retrouvée rapidement, comme l'a démontré le R2 qui a poursuivi l'essai à 14°C jusqu'au jour 290. Des activités maximales de 150 mgN/L/j ont été obtenues à 14°C avec un RR de 80 % pour une NLR comprise entre 0,12 et 0,15 kgN/m3/j.From day 236, both reactors were operational again. An NLR of 0.07 kgN/m 3 /d was applied in order to gradually recover the Anammox activity. The RRs were very high, but that was a direct result of the manual reactor washdowns. For the two reactors, activities of between 50 and 150 mgN/L/d were observed. No stable activity or performance was quickly regained, as demonstrated by the R2 who continued the test at 14°C until day 290. Maximum activities of 150 mgN/L/d were obtained at 14°C with an RR of 80% for an NLR of between 0.12 and 0.15 kgN/m 3 /d.
Le jour 253, R1 a été ramené à 20°C pour tester la capacité de récupération de la biomasse Anammox. Des activités de 225 mgN/L/j ont été rapidement obtenues. Néanmoins, les performances n'ont pas été totalement récupérées par rapport au début de la phase 5. Des RR entre 70 et 85% ont été mesurés pour NLR dans une plage de 0,15 à 0,3 kgN/m3/j.On day 253, R1 was returned to 20°C to test the ability to recover Anammox biomass. Activities of 225 mgN/L/d were quickly obtained. Nevertheless, the performances have not been completely recovered compared to the beginning of phase 5. RRs between 70 and 85% have been measured for NLR in a range of 0.15 to 0.3 kgN/m 3 /d.
ConclusionsFindings
Ces essais ont confirmé que la biomasse Anammox est adaptée à une élimination de l'azote dans les lixiviats. Les lixiviats matures constituent la matrice la plus pertinente compte tenu de leur faible teneur en DBO5. Les lixiviats plus jeunes présentent une concentration importante de DBO5 et un rapport DBO5/azote réduit plus difficile à obtenir. Un traitement préalable d’un lixiviat jeune par digestion anaérobie devrait donc permettre leur traitement par la biomasse Anammox, après nitritation partielle.These tests confirmed that the Anammox biomass is suitable for nitrogen removal in the leachate. Mature leachates are the most relevant matrix given their low BOD5 content. Younger leachates have a high concentration of BOD5 and a reduced BOD5/nitrogen ratio which is more difficult to obtain. Prior treatment of young leachate by anaerobic digestion should therefore allow treatment with Anammox biomass, after partial nitritation.
Les essais réalisés dans le cadre de ce mode de réalisation particulier sur les lixiviats matures et ont confirmé en premier lieu que cette matrice n'était pas préjudiciable à l'activité Anammox.The tests carried out within the framework of this particular embodiment on the mature leachates and confirmed in the first place that this matrix was not detrimental to the Anammox activity.
Claims (16)
a) une étape de digestion anaérobie de l’effluent à traiter pour produire du biogaz et un digestat constituant un premier effluent liquide présentant une teneur en matière carbonée réduite, cette étape étant mise en œuvre dans une lagune couverte équipée d’un dispositif de récupération du biogaz,
b) une étape de traitement biologique du digestat obtenu à l’étape (a) pour produire un deuxième effluent liquide à teneur en azote réduite.Process for the biological treatment of an effluent, the effluent to be treated containing nitrogen in the form of ammonium and having a concentration of carbonaceous matter measured by the chemical oxygen demand greater than or equal to 1 g per liter of effluent, the process comprising:
a) a step of anaerobic digestion of the effluent to be treated to produce biogas and a digestate constituting a first liquid effluent having a reduced carbon content, this step being implemented in a covered lagoon equipped with a recovery device biogas,
b) a stage of biological treatment of the digestate obtained in stage (a) to produce a second liquid effluent with a reduced nitrogen content.
b1) un traitement biologique de nitrification/dénitrification.Biological treatment method according to any one of Claims 1 to 4, in which step b) of biological treatment comprises:
b1) a biological nitrification/denitrification treatment.
b2) un traitement biologique de nitritation/dénitritation,
b3) un traitement biologique de déammonification,
b4) la réalisation successive des traitements b2) et b3), et optionnellement une recirculation d’une partie de l’effluent issu du traitement biologique de déammonification vers le traitement biologique b2),
b5) un traitement biologique comprenant un traitement biologique de nitritation partielle, un traitement biologique de dénitritation et un traitement biologique d’oxydation anaérobie des ions ammonium en présence d’ions nitrites, et optionnellement une recirculation d’une partie de l’effluent issu du traitement biologique d’oxydation anaérobie vers au moins un traitement biologique choisi parmi le traitement biologique de nitritation partielle et le traitement biologique de dénitritation.Biological treatment method according to any one of Claims 1 to 4, in which step b) of biological treatment comprises a treatment chosen from:
b2) a biological nitritation/denitritation treatment,
b3) a biological deammonification treatment,
b4) the successive performance of treatments b2) and b3), and optionally a recirculation of part of the effluent from the biological deammonification treatment towards the biological treatment b2),
b5) a biological treatment comprising a biological treatment of partial nitritation, a biological treatment of denitritation and a biological treatment of anaerobic oxidation of ammonium ions in the presence of nitrite ions, and optionally a recirculation of part of the effluent from the biological anaerobic oxidation treatment to at least one biological treatment chosen from the biological partial nitritation treatment and the biological denitritation treatment.
- le traitement b1) est adapté au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ supérieur ou égal à 3 gO2/gN,
- le traitement b2) est adapté au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ de 1,7 à 3 gO2/gN,
- les traitements b3), b4) et b5) sont adaptés au traitement d’effluents présentant un ratio DBO5/N-NH4+ inférieur à 1,7 gO2/gN.Biological treatment process according to any one of Claims 5 to 7, in which the treatment of step b) is chosen as a function of the BOD5/N-NH 4 ratio of the digestate and target values of the residual nitrogen and matter contents. carbon content of the second liquid effluent, and in which:
- treatment b1) is suitable for treating effluents with a BOD5/N-NH 4 + ratio greater than or equal to 3 gO 2 /gN,
- treatment b2) is suitable for treating effluents with a BOD5/N-NH 4 + ratio of 1.7 to 3 gO 2 /gN,
- treatments b3), b4) and b5) are suitable for the treatment of effluents having a BOD5/N-NH 4 + ratio of less than 1.7 gO 2 /gN.
- un lixiviat d’une installation de stockage, de préférence des déchets non dangereux,
- un liquide collecté dans le fond d’un camion de collecte, avantageusement des déchets non dangereux,
- un effluent agricole liquide, par exemple un lisier,
- un effluent liquide d’industrie agroalimentaire, ce qui inclut les résidus/coproduits industriels de la transformation de produits animaux et végétaux,
- un effluent liquide organique des industries textiles, papetières, cosmétiques, pharmaceutiques,
- un mélange de deux ou plusieurs de ces effluents.Biological treatment process according to any one of Claims 1 to 8, in which the effluent to be treated is chosen from:
- leachate from a storage facility, preferably non-hazardous waste,
- a liquid collected in the bottom of a collection truck, advantageously non-hazardous waste,
- a liquid agricultural effluent, for example a slurry,
- a liquid effluent from the food industry, which includes industrial residues/co-products from the processing of animal and plant products,
- an organic liquid effluent from the textile, paper, cosmetics and pharmaceutical industries,
- a mixture of two or more of these effluents.
- une lagune couverte (10) équipée d’un dispositif de récupération du biogaz (12) et d’un dispositif d’évacuation d’un digestat liquide (14), et optionnellement équipée de chicanes et/ou de supports biologiques,
- optionnellement une capacité (16) de stockage du digestat liquide,
- au moins un réacteur (20) de traitement biologique du digestat.Installation (1) for the biological treatment of an effluent, the effluent to be treated containing nitrogen in the form of ammonium and having a concentration of carbonaceous matter measured by the chemical oxygen demand greater than or equal to 1 g per liter of effluent, the installation comprising:
- a covered lagoon (10) equipped with a biogas recovery device (12) and a liquid digestate evacuation device (14), and optionally equipped with baffles and/or biological supports,
- optionally a capacity (16) for storing the liquid digestate,
- at least one reactor (20) for the biological treatment of the digestate.
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