FR3135716A1 - Procédé de traitement d’eaux usées avec maximisation de la production de biogaz comprenant une étape d’électro-oxydation - Google Patents
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Abstract
L’invention se rapporte à un procédé et une installation de traitement des eaux usées et des boues associées permettant d’éliminer le carbone et l’azote avec maximisation de production de biogaz. Le procédé comprend : (a) une étape de traitement des eaux usées produisant un premier effluent (2) présentant une teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent (3) présentant une teneur en matière carbonée accrue, (b) une étape de traitement d’au moins une partie du premier effluent produisant un troisième effluent (4) présentant une teneur en azote réduite, réalisée sans mise en œuvre d’une nitrification biologique en condition aérobie et comprenant au moins une étape d’électro-oxydation au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans le premier effluent sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote, (c) une étape de digestion anaérobie du deuxième effluent pour produire du biogaz (7) et un digestat (8). Figure de l’abrégé : figure 1
Description
L’invention se rapporte à un procédé de traitement des eaux usées et des boues associées, notamment un traitement d’élimination du carbone et de l’azote avec maximisation de la production de biogaz.
En général, le traitement des eaux usées est un procédé en trois étapes : une étape de traitement primaire, une étape de traitement secondaire et une étape de traitement tertiaire.
La première étape de traitement primaire permet généralement de réduire la teneur des eaux usées à traiter en solides et/ou en matières organiques. Il s’agit typiquement d’une étape de décantation, possiblement assistée par une adjonction préalable de coagulant et floculant, au cours de laquelle les eaux usées sont placées dans une cuve de retenue ou un bassin de décantation. Les solides contenus dans les eaux usées se déposent ainsi au fond de la cuve où ils sont collectés et les substances plus légères comme les graisses et les huiles sont récupérées sur le dessus des eaux usées présentes dans la cuve. Cette étape produit ainsi des boues dites primaires et un effluent présentant une teneur réduite en solides. Ces boues primaires sont généralement traitées par digestion anaérobie pour produire du biogaz, gaz énergétique composé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone.
L’étape de traitement secondaire permet de réduire la teneur en carbone et/ou en azote et/ou en phosphore de l’effluent présentant une teneur réduite en solides sortant de la première étape de traitement. Au cours cette étape, les matières organiques, les composés azotés et/ou les composés phosphorés, sont assimilés ou décomposés par des bactéries aérobies et/ou anaérobies et/ou anoxies. Il s’agit donc d’une étape de traitement biologique, le plus souvent mise en œuvre dans des réacteurs à cultures libres (procédé dit « à boues activées »).
La troisième étape de traitement tertiaire est conçue pour nettoyer davantage l'eau lorsqu'elle est déversée dans un écosystème sensible ou pour la réutiliser. Cette étape peut impliquer l'élimination du phosphore et/ou des micropolluants et/ou une désinfection et/ou une filtration.
Le processus biologique le plus courant utilisé lors de l’étape de traitement secondaire pour éliminer les composés azotés des eaux usées fait généralement appel aux procédés de nitrification puis dénitrification (N/DN), c'est-à-dire la conversion de l'ammoniac en diazote.
La nitrification est une réaction d'oxydation aérobie, nécessitant une aération active, dans lequel un groupe spécialisé de bactéries autotrophes, oxyde l'azote ammoniacal ou ammonium, noté comme NH4ou NH4 +, en :
• azote nitreux, aussi connu comme nitrite, NO2ou NO2 –,
• puis azote nitrique, aussi connu comme nitrate, NO3ou NO3 -.
• azote nitreux, aussi connu comme nitrite, NO2ou NO2 –,
• puis azote nitrique, aussi connu comme nitrate, NO3ou NO3 -.
La dénitrification, consiste en une réduction anoxique, au cours de laquelle un groupe spécialisé de bactéries hétérotrophes (qui peuvent être anaérobies) couplent l'oxydation des substrats organiques à la réduction des nitrates soit en protoxyde d’azote (N2O) soit en azote gazeux (diazote, N2).
En sortie de l’étape de nitrification/dénitrification, la teneur azote doit respecter des limites dépendant de la réglementation, ce qui peut impacter notablement le design du traitement à réaliser. Typiquement, plus la teneur limite en azote est faible, plus l’étape de nitrification doit être longue et demande une forte aération (demande en oxygène élevée). De faibles teneurs en azote sont par ailleurs difficilement atteignables par un traitement de dénitrification biologique, lequel nécessite en outre de grandes quantités de carbone biodégradable provenant souvent d’un apport externe lorsque le carbone biodégradable n’est pas disponible en quantité suffisante dans l’effluent à traiter par rapport à la quantité d’azote oxydé à dénitrifier.
Le temps de rétention des boues (ou SRT pour « sludge retention time ») est l’un des paramètres clés pour la conception de la chaine de traitement car les bactéries autotrophes nitrifiantes ont un taux de croissance inférieur au taux de croissance des microorganismes hétérotrophes de dénitrification, et doivent être maintenues dans le système afin d’obtenir une nitrification efficace. Ce taux de croissance diminue en outre avec la température de fonctionnement. Ainsi, des températures faibles et/ou des limites faibles de rejet d’azote nécessitent une aération prolongée ainsi que l’augmentation de l’âge des boues produites, du temps de rétention des boues et du temps de rétention hydraulique, ce qui conditionne le dimensionnement des unités. Si un temps de rétention long des boues permet un bon développement des bactéries autotrophes nitrifiantes, la quantité de biomasse formée dans ces conditions est réduite : on dit que le système fonctionne en faible charge. A contrario, un temps de rétention court des boues limite, voire empêche, le développement des bactéries nitrifiantes, et par conséquent la dénitrification, mais permet d’augmenter la quantité de biomasse formée : on dit que le système fonctionne en forte charge.
Cependant, le potentiel méthanogène des boues d'aération issues du traitement de nitrification en aération prolongée (fonctionnement « en faible charge ») est plus faible que celui des boues en fonctionnement « forte charge », ce qui se traduit par des performances moindres en matière de digestion anaérobie lors de leur traitement ultérieur et donc par une production moindre de biogaz. Ainsi, il faut travailler avec des boues « jeunes » pour avoir un potentiel méthanogène plus élevé et augmenter la production de biogaz, mais, dans ces conditions, le traitement de l’azote est faible, voire inexistant.
Des limites strictes de rejet d’azote se traduisent non seulement par des coûts de construction élevés dus à des temps de rétention des boues et des temps de rétention hydraulique élevés, mais également par des coûts de fonctionnement élevés dus notamment à l’ajout de réactif (ajout de carbonates pour augmenter l’alcalinité lors de la nitrification autotrophique, ajout de méthanol comme source de carbone externe lors de la dénitrification hétérotrophique, ajout d’une source de phosphate en cas de déficience en nutriments), à une demande en oxygène élevée (forte aération) et à des flux à pomper élevés (recirculation interne et externe).
Alors que l'industrie des eaux usées s'oriente vers la récupération des ressources et la réorientation de l’utilisation du carbone, la maximisation de la récupération d'énergie en biogaz devient essentielle pour améliorer le bilan énergétique des installations de traitement des eaux usées. Cependant, le paradigme actuel de conception de l'étape de nitrification/dénitrification de la chaîne de traitement des eaux usées semble incompatible avec les réglementations de plus en plus strictes en matière de limite de rejet d'azote et avec l’objectif de maximiser la récupération d’énergie par production de biogaz. En effet, pour atteindre les limites faibles de rejet d'azote, il faut laisser suffisamment de carbone en sortie du traitement primaire afin d'obtenir une dénitrification suffisante lors du traitement secondaire, ce qui limite la possibilité de capturer du carbone dans les boues issues du traitement primaire pour la production de biogaz.
En particulier, pour une étape de traitement primaire présentant des performances de capture de carbone déterminées, un traitement secondaire en aval produisant des boues activées en faible charge présente un potentiel méthanogène moindre qu’un traitement secondaire aval produisant des boues activées en forte charge (appelé aussi « High Rate Activated Sludge » soit « HRAS »), dans lequel le carbone n’est pas traité par un réacteur réalisant une nitrification biologique. En effet, en faible charge, pour un âge de boues long, les bactéries hétérotrophes n’ont pas assez de nourriture, elles consomment donc dans leur réserve (respiration endogène), ce qui réduit le potentiel méthanogène. Alors qu’en forte charge, il n’y a pas de nitrification, et donc pas de nécessité de travailler à un âge de boue long, les boues produites sont donc plus jeunes et la production de boues est plus importante tout comme leur potentiel méthanogène.
La limitation de la récupération du carbone en sortie du traitement primaire et le potentiel méthanogène plus faible des boues issues de la nitrification du traitement secondaire ne permettent donc pas de maximiser la récupération d’énergie par production de biogaz tout en réduisant la teneur en azote en sortie du traitement secondaire.
Enfin, les traitements actuels mettent en œuvre de nombreuses étapes intermédiaires pour réaliser le transfert d’électron qui permet la réduction des composés azotés en diazote :
- la conversion d’électricité en air soufflé (via un surpresseur) pour l’aération du milieu,
- le transfert de l’oxygène (20% de l’air) au milieu (les eaux usées),
- le transfert de dioxygène du milieu (eaux usées) aux bactéries,
- la conversion de l’oxygène par les bactéries pour oxyder les ions ammonium en nitrites/nitrates par transfert d’électrons.
A chacune de ces étapes, on observe une perte d’énergie due à la conversion, rendant le procédé plus énergivore que nécessaire.
Enfin, les traitements biologiques de l’azote sont complexes à contrôler dans la mesure où les performances de ces traitements sont contrôlées indirectement : l'activité des bactéries est typiquement régulée par la teneur en oxygène dissous dans le milieu, elle-même contrôlée par une consigne d'injection d'air et par conséquent le débit de la soufflerie. Ces traitements ne sont en outre efficaces qu’après une période de croissance de la biomasse. Par ailleurs, lors de l’étape de nitrification biologique en faible charge, des bactéries filamenteuses peuvent être produites, susceptibles d’engendrer des dysfonctionnements (en particulier perte de la décantabilité des boues engendrant une fuite de matières en suspension en sortie de clarification) dus notamment à des gonflements et à la formation de mousse.
Il existe donc un besoin pour un traitement des eaux usées qui permette de maximiser à la fois la production de biogaz lors du traitement des boues et le traitement de la pollution azotée, sans ajout de réactif(s), ou avec des quantités réduites de réactif(s), et ce, quelle que soit la teneur en carbone des eaux usées à traiter (i.e. quel que soit le rapport C/N). Il existe également un besoin pour un traitement des eaux usées plus simple à mettre en œuvre et à contrôler.
Un premier objet de l’invention concerne un procédé de traitement d’eaux usées contenant de l’azote sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée, ledit procédé comprenant :
(a) une étape de traitement des eaux usées pour produire un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
(b) une étape de traitement d’au moins une partie du premier effluent pour produire un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, et,
(c) une étape de digestion anaérobie du deuxième effluent pour produire du biogaz et un digestat.
Selon l’invention, l’étape (b) dudit procédé est réalisée sans mise en œuvre d’une nitrification biologique en condition aérobie et comprend au moins une étape d’électro-oxydation au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans le premier effluent sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote.
(a) une étape de traitement des eaux usées pour produire un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
(b) une étape de traitement d’au moins une partie du premier effluent pour produire un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, et,
(c) une étape de digestion anaérobie du deuxième effluent pour produire du biogaz et un digestat.
Selon l’invention, l’étape (b) dudit procédé est réalisée sans mise en œuvre d’une nitrification biologique en condition aérobie et comprend au moins une étape d’électro-oxydation au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans le premier effluent sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote.
Cet enchaînement particulier d’étapes, et en particulier l’utilisation d’au moins une étape d’élimination de l’azote par électro-oxydation, permet une mise en œuvre moins complexe du procédé de traitement par rapport à un traitement biologique de l’azote par nitrification / dénitrification. En effet, le contrôle de l’étape d’électro-oxydation peut être effectué de manière directe en contrôlant la densité de courant appliquée et le débit de l’effluent à traiter, et ne nécessite pas de période de croissance de la biomasse.
Cet enchaînement permet également une mise en œuvre moins coûteuse qu’un procédé de traitement biologique de dénitrification en ce que l’utilisation de produits chimiques est réduite et la demande en énergie globale est moins importante puisque le traitement par électro-oxydation nécessite moins d’heures de fonctionnement pour atteindre une nitrification totale ou partielle (temps de rétention hydraulique réduit) et moins d’intermédiaire pour les transferts d’électrons et que la production de biogaz est favorisée.
L’électro-oxydation est également un traitement présentant moins de risque de dysfonctionnement par rapport à un traitement biologique de nitrification (pas de risque de dysfonctionnement dû à la production de bactéries filamenteuses, à la formation de mousse ou au gonflement des boues). L’électro-oxydation permet également d’atteindre des niveaux d’azote très bas dans l’eau traitée sans être limité par une teneur initiale en carbone et permet de réduire la production de protoxyde d’azote, intermédiaire réactionnel des réactions biologiques d’oxydation de l’azote ammoniacal et de réduction des nitrates, qui est un gaz à effet de serre.
Dans la mesure où la présence de carbone dans le premier effluent n’est pas nécessaire au fonctionnement de l’étape (b), l’étape (a) de traitement de l’eau usée peut être mise en œuvre dans des conditions dans lesquelles on maximise la teneur en matière carbonée présente dans le deuxième effluent, ce qui permet d’optimiser la production de biogaz par digestion anaérobie lors de l’étape (c).
Avantageusement, l’étape (a) de traitement comprend au moins une étape de traitement de la matière carbonée choisie parmi une étape de traitement physique (a1), optionnellement précédée d’une étape de traitement physico-chimique (a2), et une étape de traitement biologique (a3, a4) de la matière carbonée.
Le traitement physique et/ou physico-chimique permet de réduire la teneur des eaux usées à traiter en solides, en matières organiques susceptibles de floculer et éventuellement du phosphore, pour ainsi réduire la teneur en matière carbonée du premier effluent.
L’utilisation d’un traitement physico-chimique en amont d’un traitement physique permet notamment d’augmenter la vitesse de traitement ce qui conduit à utiliser des installations moins grandes et par conséquent moins coûteuses.
Avantageusement, l’étape de traitement physique est choisie parmi une étape de décantation, une étape de flottation et une étape de filtration, et l’étape de traitement physico-chimique est choisie parmi une étape de coagulation-floculation, une étape de floculation seule et une étape d’électrocoagulation suivie d’une floculation, ou une combinaison de ces étapes.
L’étape (a) de traitement peut comprendre au moins une étape de traitement biologique (a3) de la matière carbonée, notamment mise en œuvre dans des conditions défavorables à la nitrification. Il s’agit en effet ici de traiter (à savoir d’éliminer) uniquement la matière carbonée soluble biodégradable (à savoir la matière carbonée non particulaire) de l’effluent à traiter afin de produire un premier effluent à teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent à teneur en matière carbonée accrue.
Le traitement biologique de la matière carbonée peut être réalisé en condition anoxique ou en condition oxique.
Dans un mode de réalisation, l’étape (b) comprend une étape d’électro-oxydation totale d’au moins une partie des ions ammoniums en diazote.
Dans un autre mode de réalisation, l’étape (b) comprend une étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’au moins une partie des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites.
Avantageusement, au moins une partie de l’effluent produit par ladite étape d’électro-oxydation partielle (b1) est envoyée à l’étape (a) de traitement, en amont ou dans une étape de traitement biologique anoxique (a3) de la matière carbonée de l’étape (a).
La recirculation d’une partie de l’effluent partiellement oxydé dans une telle étape de traitement biologique anoxique (a3) permet de maximiser la dénitrification et l’élimination du carbone pour arriver à une production de boues (formant le deuxième effluent) avec un potentiel méthanogène élevé. En effet, la recirculation dans l’étape (a) de traitement biologique (a3) anoxique permet l’abattement du carbone présent dans les eaux usées entrant dans l’étape (a3) de traitement biologique, et éventuellement du carbone présent dans la partie de l’effluent partiellement oxydé recyclé dans cette étape (a3) rendu biodégradable par l’étape d’électro-oxydation partielle, tout en apportant l’oxygène nécessaire à cet abattement au travers des nitrates/nitrites produits lors de l’étape (b1) d’électro-oxydation partielle, ce qui permet de réduire le besoin d’aération de ladite étape de traitement biologique du carbone (a3).
Dans une variante, l’étape (b) peut comprendre l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) dans laquelle une partie des ions ammoniums sont oxydés en nitrates et/ou nitrites, par exemple où seulement la moitié des ions ammoniums sont oxydés en nitrates et/ou nitrites, suivie d’une étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (étape Anammox). L’étape d’électro-oxydation partielle (b2) est alors incomplète.
Dans le cas où l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) incomplète est suivie de cette étape Anammox (b3), au moins une partie de l’effluent produit par cette étape (b3) peut être renvoyée à l’étape (a) de traitement, en amont ou dans une étape de traitement biologique anoxique (a3) de la matière carbonée de l’étape (a).
Un avantage de l’étape Anammox (b3) en sortie de l’étape d’oxydation partielle incomplète (b1) est d’oxyder les ions ammoniums restant tout en réduisant la quantité d’énergie requise par rapport à une étape (b) ne mettant en œuvre qu’une ou plusieurs étapes d’électro-oxydation.
Dans une autre variante, l’étape (b) peut comprendre l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’au moins une partie, de préférence la totalité, des ions ammonium en nitrates et/ou nitrites suivie d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie, de préférence la totalité, des nitrates et/ou nitrites en diazote.
Dans encore une autre variante, l’étape (b) peut comprendre l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’une partie des ions ammonium (par exemple la moitié) en nitrates et/ou nitrites suivie d’une étape de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (b3, étape Anammox) puis d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie, de préférence la totalité, des nitrates et/ou nitrites en diazote. L’étape d’électro-oxydation totale (b2) des nitrates et/ou nitrites en diazote a pour but de parfaire l’élimination de l’azote total et d’atteindre la limite d’azote total visée ou réglementée par la législation. Précédant cette étape d’électro-oxydation totale (b2), l’étape Anammox (b3) a pour but d’oxyder une partie des ions ammonium, pour ainsi réduire la consommation d’énergie nécessaire à l’étape d’électro-oxydation totale (b2) des nitrates et/ou nitrites en diazote et réduire la consommation globale d’énergie mise en œuvre lors de l’étape (b) pour l’élimination de l’azote.
Avantageusement, lors de l’étape d’électro-oxydation (b), (b1), (b2), une électrolyse d’eau présente dans l’effluent se produit résultant en la production de dihydrogène à la cathode et de dioxygène à l’anode. On peut alors récupérer le dihydrogène et/ou le dioxygène, et optionnellement envoyer le dioxygène à l’étape (a) de traitement, en amont ou dans une étape de traitement biologique (a3) de la matière carbonée de l’étape (a).
Avantageusement, le procédé de traitement peut en outre comprendre une étape de traitement (d) du troisième effluent produit par l’étape (b) de traitement pour produire un quatrième effluent, cette étape de traitement (d) comprenant au moins un traitement choisi parmi un traitement d’élimination de matières en suspension, un traitement d’élimination de composés phosphorés, un traitement d’élimination de micropolluants (notamment des polluants organiques et/ ou métalliques) et un traitement d’élimination de micro-organismes.
L’étape de traitement (d) du troisième effluent a pour but de nettoyer davantage l’eau pour qu’elle respecte les normes de rejet lorsqu’elle est déversée dans un écosystème sensible ou pour la réutiliser.
Avantageusement, le procédé de traitement peut en outre comprendre une étape de contrôle dans laquelle :
(i1) on détermine une quantité d’azote présente dans le troisième effluent ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’étape d’électro-oxydation partielle des ions ammoniums et l’effluent de l’étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies,
puis,
(i2) on détermine une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et on extrait ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et on la mélange au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
(i3) on détermine une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums à envoyer à une étape de traitement biologique anoxique (a3) de l’étape (a), cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique anoxique d’élimination de la matière carbonée, et on envoie ladite quantité de cet effluent à l’étape de traitement biologique anoxique (a3) de l’étape (a).
(i1) on détermine une quantité d’azote présente dans le troisième effluent ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’étape d’électro-oxydation partielle des ions ammoniums et l’effluent de l’étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies,
puis,
(i2) on détermine une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et on extrait ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et on la mélange au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
(i3) on détermine une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums à envoyer à une étape de traitement biologique anoxique (a3) de l’étape (a), cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique anoxique d’élimination de la matière carbonée, et on envoie ladite quantité de cet effluent à l’étape de traitement biologique anoxique (a3) de l’étape (a).
L’étape de contrôle comprenant l’enchaînement (i1) (i2) a pour but de réduire les quantités d’effluent traitées par l’étape (b) tout en respectant les normes de rejet d’azote dans le troisième effluent, ce qui permet de réduire les dimensions des installations et/ou les coûts de traitement. L’étape de contrôle comprenant l’enchaînement (i1) (i3) permet d’optimiser la recirculation de l’effluent produit par l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) de sorte à apporter la quantité nécessaire de nitrates/nitrites pour l’abattement dans l’étape (a3) du carbone contenu initialement dans les eaux usées. L’étape (i1) pourra notamment comprendre également une détermination de la quantité de matière carbonée contenue dans les eaux usées à traiter entrant dans l’étape (a), et lors de l’étape (i3), la quantité d’effluent peut être déterminée en fonction de sa teneur en nitrates et/ou nitrite et de la teneur en matière carbonée des eaux usées à traiter. L’étape de contrôle comprenant l’enchaînement (i1) (i3) permet également de d’optimiser la quantité d’azote à traiter par l’étape (b2) d’électro-oxydation totale en la minimisant. L’étape de contrôle peut mettre en œuvre les deux enchaînements d’étapes (i1) (i2) et (i1) (i3) ou seulement l’un des deux.
Avantageusement, le procédé de traitement peut en outre comprendre au moins une étape de traitement (e) d’au moins une part d’une fraction liquide du digestat produit par l’étape (c) de digestion, cette étape de traitement étant choisie parmi une étape (e0) de traitement par électrocoagulation, une étape de traitement par électro-oxydation (e1) au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans ladite fraction liquide sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote, une étape (e2) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (étape Anammox) et la succession des deux étapes (e1) (e2) précédées ou non de l’étape (e0).
Avantageusement, l’étape (e0) de traitement par électrocoagulation peut comprendre une sous-étape de précipitation de struvite par dissolution électrochimique d’une anode sacrificielle comprenant du magnésium, couplée à une sous-étape de séparation de la struvite précipitée.
Cette étape de traitement (e) a pour but de traiter l’azote contenu dans la fraction liquide du digestat produit par l’étape (c) de digestion riche en ammonium, ce qui permet notamment de renvoyer la fraction liquide traitée dans la ligne d’alimentation en eaux usées principale du procédé, dans l’étape (a) ou en amont de l’étape (a).
Un autre objet de l’invention concerne une installation de traitement d’eaux usées contenant de l’azote sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. L’installation de traitement selon l’invention comprend :
- une première unité de traitement des eaux usées comprenant une conduite d’alimentation en eaux usées, une première conduite d’évacuation d’un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et une deuxième conduite d’évacuation d’un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
- une deuxième unité de traitement, comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la première conduite de la première unité de traitement, une conduite d’évacuation d’un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, la deuxième unité de traitement comprenant au moins une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et étant dépourvue d’une zone réactionnelle de traitement biologique aérobie,
- une troisième unité de traitement par digestion anaérobie comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la deuxième conduite de la première unité de traitement, une conduite d’évacuation de biogaz et une conduite d’évacuation d’un digestat.
- une première unité de traitement des eaux usées comprenant une conduite d’alimentation en eaux usées, une première conduite d’évacuation d’un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et une deuxième conduite d’évacuation d’un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
- une deuxième unité de traitement, comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la première conduite de la première unité de traitement, une conduite d’évacuation d’un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, la deuxième unité de traitement comprenant au moins une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et étant dépourvue d’une zone réactionnelle de traitement biologique aérobie,
- une troisième unité de traitement par digestion anaérobie comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la deuxième conduite de la première unité de traitement, une conduite d’évacuation de biogaz et une conduite d’évacuation d’un digestat.
Avantageusement, la première unité peut comprendre au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement physique, optionnellement couplée à une zone réactionnelle de traitement physico-chimique et une zone réactionnelle de traitement biologique.
Avantageusement, la deuxième unité de traitement peut comprendre :
- au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et au moins une deuxième zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la première zone réactionnelle, ou
- une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, une deuxième zone réactionnelle de traitement biologique non aérée et une troisième zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la première zone réactionnelle, chaque troisième zone réactionnelle étant raccordée à une deuxième zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la deuxième zone réactionnelle.
- au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et au moins une deuxième zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la première zone réactionnelle, ou
- une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, une deuxième zone réactionnelle de traitement biologique non aérée et une troisième zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la première zone réactionnelle, chaque troisième zone réactionnelle étant raccordée à une deuxième zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la deuxième zone réactionnelle.
Avantageusement, l’installation de traitement peut comprendre une conduite de recirculation reliant une sortie de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation ou de l’au moins une deuxième zone réactionnelle de traitement biologique non aérée à une entrée d’une zone réactionnelle de traitement biologique de la première unité.
Avantageusement, la deuxième unité de traitement peut comprendre au moins une conduite d’évacuation d’une zone réactionnelle d’électro-oxydation choisie parmi une conduite d’évacuation de dihydrogène et une conduite d’évacuation de dioxygène.
L’installation de traitement peut en outre comprendre au moins une autre unité de traitement choisie parmi :
- une quatrième unité de traitement comprenant une conduite d’alimentation raccordée à une conduite d’évacuation de la deuxième unité de traitement et une conduite d’évacuation d’un quatrième effluent, et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement d’élimination de matières en suspension, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de composés phosphorés, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micropolluants, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micro-organismes,
- une cinquième unité de traitement comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la conduite d’évacuation d’une fraction liquide d’un digestat de la troisième unité et une conduite d’évacuation d’un effluent, optionnellement raccordé à la conduite d’alimentation de la première unité, et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (zone réactionnelle Anammox), et ces deux dernières zones réactionnelles précédées ou non d’une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une sortie de la zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation étant raccordée à une entrée de la zone réactionnelle de traitement biologique non aérée.
- une quatrième unité de traitement comprenant une conduite d’alimentation raccordée à une conduite d’évacuation de la deuxième unité de traitement et une conduite d’évacuation d’un quatrième effluent, et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement d’élimination de matières en suspension, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de composés phosphorés, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micropolluants, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micro-organismes,
- une cinquième unité de traitement comprenant une conduite d’alimentation raccordée à la conduite d’évacuation d’une fraction liquide d’un digestat de la troisième unité et une conduite d’évacuation d’un effluent, optionnellement raccordé à la conduite d’alimentation de la première unité, et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (zone réactionnelle Anammox), et ces deux dernières zones réactionnelles précédées ou non d’une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une sortie de la zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation étant raccordée à une entrée de la zone réactionnelle de traitement biologique non aérée.
La zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation peut notamment comprendre un réacteur électrochimique équipé d’une anode sacrificielle comprenant du magnésium et un dispositif de séparation solide-liquide.
Avantageusement, l’installation de traitement peut être équipée d’un système de contrôle comprenant au moins un dispositif de détermination d’une teneur en ions ammoniums et/ou nitrates et/ou nitrites, au moins un dispositif de déplacement de fluide, et une unité de contrôle configurée pour :
- déterminer une quantité d’azote présente dans le troisième ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et l’effluent de l’au moins une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité,
puis
- déterminer une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’extraire ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et de la mélanger au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
- déterminer une quantité de l’effluent issu de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation à envoyer à une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité de traitement, cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique non aérée d’élimination de la matière carbonée et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’envoyer ladite quantité de cet effluent à ladite zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité.
- déterminer une quantité d’azote présente dans le troisième ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et l’effluent de l’au moins une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité,
puis
- déterminer une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’extraire ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et de la mélanger au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
- déterminer une quantité de l’effluent issu de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation à envoyer à une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité de traitement, cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique non aérée d’élimination de la matière carbonée et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’envoyer ladite quantité de cet effluent à ladite zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité.
Définitions
/abréviations
Anammox : ANaerobic AMMOnium OXidation (Oxydation anaérobie de l’ammonium) Lors de cette réaction, en condition anoxie (en absence d’oxygène), l’ammonium est transformé en azote gazeux en utilisant les nitrites comme accepteur d’électron. Cette réaction est réalisée en présence de bactéries autotrophes anaérobies (elles n’ont pas besoin de O2libre ou dissous).
BMP : potentiel méthanogène, correspond à la quantité maximale de méthane produit par un composé lors de sa dégradation anaérobie. Il est généralement exprimé par le volume (NmL) de méthane produit par gramme de matière volatile de substrat.
HRT (hydraulic retention time) : Temps de séjour hydraulique.
N/DN : Nitrification / Dénitrification.
Carbone réfractaire : carbone qui ne peut être abattu par les biomasses épuratrices des procédés de traitement des eaux usées car le composé est trop complexe.
Etape d’électro-oxydation totale : étape dans laquelle on réalise une oxydation électrochimique totale des espèces présentes (oxydation totale des ions ammoniums en diazote, oxydation totale des nitrites/nitrates en diazote).
Etape d’électro-oxydation partielle : étape dans laquelle on réalise une oxydation électrochimique partielle des espèces présentes, par ex. des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites.
Une étape d’électro-oxydation (totale ou partielle) est incomplète lorsqu’une partie seulement des ions présents dans l’effluent sont oxydés.
Par un traitement biologique en condition anoxique, on entend un traitement réalisé dans un environnement auquel on n’apporte pas d’O2(sans aération) mais où de l’oxygène est disponible dans le milieu sous forme combinée par exemple de nitrates, sulfates ou autre. A l’inverse, un traitement en condition oxique est réalisé dans un environnement auquel on apporte de l’oxygène O2.
Un traitement biologique peut être réalisé en cultures fixées où les bactéries se développent sous forme de biofilm à la surface d’un matériau support ou en cultures libres (aussi appelées en boues activées) où les bactéries se développent librement dans l’enceinte (flocs). Dans le cas où le traitement biologique est en cultures libres (ou « à boues activées »), il inclut alors une étape de séparation de la culture bactérienne (i.e. des boues) de l’effluent liquide traité. Les boues sont généralement renvoyées dans le traitement biologique. La séparation peut être réalisée dans un clarificateur (décanteur) ou dans des filtres utilisant des membranes de microfiltration ou d’ultrafiltration. Dans le cas où une succession de réacteurs biologiques en cultures libres sont installés (succession de plusieurs traitements biologiques), la séparation de la biomasse peut être effectuée en aval du dernier réacteur.
Par « eaux usées », on entend les eaux résiduaires urbaines dont l’origine est essentiellement domestique mais dont une part peut être d’origine industrielle, ou encore les eaux résiduaires industrielles notamment celles issues de l’industrie agroalimentaire ou toute autre industrie produisant des effluents chargés en matière carbonée et en azote. De préférence, les eaux usées seront des eaux résiduaires urbaines municipales.
La struvite est un sel ammonium-magnésium-phosphates de formule chimique NH4MgPO4• 6 H2O.
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatifs, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Procédé
Le procédé selon l’invention est un procédé de traitement des eaux usées contenant de l’azote sous forme d’ions ammonium (NH4 +) et de la matière carbonée, autrement dit un procédé d’élimination de l’azote et de la matière carbonée des eaux usées. Ces eaux usées contiennent souvent des particules en suspension qui peuvent également être éliminées par le procédé selon l’invention.
L’azote présent dans les eaux usées est principalement sous forme d’ions ammonium, cependant, il peut également être présent sous la forme d’azote organique qui sera in fine transformé par les bactéries en ions ammonium par une réaction d’ammonification.
Le procédé de traitement d’eaux usées comprend une étape (a) de traitement des eaux usées produisant un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue, une étape (b) de traitement comprenant au moins une étape d’électro-oxydation d’au moins une partie du premier effluent pour produire un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite et une étape (c) de digestion anaérobie du deuxième effluent pour produire du biogaz et un digestat.
L’étape (a) est ainsi une étape d’élimination de la matière carbonée alors que l’étape (b) est une étape d’élimination de l’azote et l’étape (c) une étape de production de biogaz.
Les configurations alternatives des différentes étapes du procédé présenté ci-après sont combinables suivant l’objectif de traitement décidé.
Etape
(
a) de traitement des eaux usées
L’étape (a) de traitement des eaux usées produit un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite par rapport aux eaux usées à traiter et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue par rapport aux eaux usées à traiter.
Cette étape (a) de traitement est une première étape de traitement qui peut comprendre au moins une étape de traitement choisie parmi une étape (a1) de traitement physique, optionnellement précédée d’une étape (a2) de traitement physico-chimique, et une étape (a3, a4) de traitement biologique, ou une combinaison de ces étapes.
L’étape (a1) de traitement physique peut être choisie parmi une étape de décantation, une étape de flottation ou une étape de filtration. L’intérêt de l’étape (a1) est d’éliminer les particules solides. L’étape (a1) de traitement physique produit ainsi des boues qui correspondent au deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue et un effluent correspondant au premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite.
L’étape (a2) de traitement physico-chimique comprend généralement une étape coagulation (ou électrocoagulation) suivie d’une étape de floculation. Ce type de traitement est typiquement réalisé en présence de réactifs chimiques, par exemple un coagulant et un floculant. Le coagulant peut être ajouté aux eaux à traiter ou bien être formé in situ (électrocoagulation). Le floculant est habituellement ajouté aux eaux coagulées. Une étape de floculation seule est aussi envisageable.
L’étape (a2) de traitement physico-chimique est mise en œuvre en amont de l’étape (a1) lorsqu’elle est présente. L’ajout d’un floculant ou d’un coagulant et d’un floculant en amont d’un traitement physique permet d’améliorer la séparation des premier et deuxième effluents, en éliminant également les matières organiques colloïdales pouvant floculer, et d’accélérer le procédé, ce qui permettra de réduire la taille des installations.
Préférentiellement l’étape (a1) de traitement physique est une étape de décantation avec ou sans étape (a2) de traitement physico-chimique préalable, notamment avec ou sans coagulation/floculation préalable.
L’étape (a) de traitement peut comprendre également au moins une étape (a3) de traitement biologique de la matière carbonée.
L’étape (a3) de traitement biologique peut s’effectuer dans des conditions anoxiques ou oxiques adaptées pour éliminer la matière carbonée présente dans l’eau usée traitée. Le traitement en condition anoxique permet d’éliminer la matière carbonée biodégradable par dénitrification, c’est-à-dire sans apport d’oxygène par aération. Lorsque le traitement biologique est en condition anoxique une partie de l’effluent produit par l’étape (b) contenant des nitrates et/ou nitrites est renvoyée en amont de l’étape (a) ou dans l’étape (a), en amont ou dans l’étape (a3) de traitement biologique en condition anoxique, ce qui permet d’éliminer l’azote résiduel lors du traitement biologique du carbone. Le traitement en condition oxique permet quant à lui d’éliminer la matière carbonée biodégradable résiduelle. L’enchainement des conditions anoxique puis oxique permet de limiter les apports d’air pour l’élimination globale du carbone, et ainsi optimiser les besoins énergétiques de ladite étape (a3) de traitement biologique.
Typiquement, l’étape (a3) de traitement biologique est mise en œuvre dans des conditions limitant la nitrification c’est-à-dire en utilisant un âge de boues faible (temps de rétention des boues faible). Cette étape a pour but de ne traiter que la matière carbonée et non l’azote présent dans l’eau usée. A cet effet, l’homme du métier pourra choisir des conditions adaptées en contrôlant notamment un ou plusieurs des paramètres suivants : temps de séjour des boues (notamment choisi en fonction de la température du milieu), temps de rétention hydraulique, aération, apport en oxygène, etc. On pourra notamment utiliser un procédé de boues activées en forte charge pour mettre en œuvre l’étape (a3) de traitement biologique ou un biofiltre dénitrifiant.
L’étape (a3) de traitement biologique produit ainsi des boues qui correspondent au deuxième effluent présentant une teneur en matière accrue et un effluent correspondant au premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite.
Préférentiellement, l’étape (a3) de traitement biologique est réalisée dans des conditions anoxiques. Optionnellement l’étape (a3) de traitement biologique s’effectue en deux parties, la première étant en condition anoxique et la deuxième en condition oxique. Réaliser le traitement biologique en condition anoxique puis en condition oxique permettra de traiter le carbone biodégradable résiduel et produire des boues avec un potentiel méthanogène élevé.
L’étape (a) de traitement peut comprendre également au moins une étape (a4) de traitement biologique anaérobie en cultures libres de la matière carbonée pour avantageusement traiter biologiquement (éliminer) une partie du phosphore contenue dans l’effluent. Dans le cas où l’étape (a4) est suivie de l’étape (a3), ces étapes sont réalisées en cultures libres. Alors, l’étape (a3) comprend une étape de séparation réalisée par exemple dans un clarificateur. Les boues activées séparées sont alors renvoyées à l’étape (a4).
Dans un premier mode de réalisation, l’étape (a) de traitement peut comprendre :
- au moins une étape (a1) de traitement physique ou (a2) de traitement physico-chimique, ou la succession d’au moins une étape (a2) de traitement physico-chimique et d’au moins une étape (a1) de traitement physique (comme par exemple une étape de décantation ou de filtration avec ou sans coagulation/floculation) préalable,
- suivie d’au moins une étape (a3) de traitement biologique d’élimination de la matière carbonée présente dans l’effluent issu de l’étape (a1) de traitement physique ou de l’étape (a2) de traitement physico-chimique.
- au moins une étape (a1) de traitement physique ou (a2) de traitement physico-chimique, ou la succession d’au moins une étape (a2) de traitement physico-chimique et d’au moins une étape (a1) de traitement physique (comme par exemple une étape de décantation ou de filtration avec ou sans coagulation/floculation) préalable,
- suivie d’au moins une étape (a3) de traitement biologique d’élimination de la matière carbonée présente dans l’effluent issu de l’étape (a1) de traitement physique ou de l’étape (a2) de traitement physico-chimique.
Les boues issues des différentes étapes (a1), (a2), (a3) peuvent alors être combinées pour former le deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue.
Dans un second mode de réalisation, l’étape (a) de traitement peut comprendre :
- au moins une étape (a1) de traitement physique ou (a2) de traitement physico-chimique ou la succession d’au moins une étape (a2) de traitement physico-chimique et d’au moins une étape (a1) de traitement physique,
- suivie d’au moins une étape (a4) de traitement biologique anaérobie d’élimination du phosphore présent dans l’effluent,
- puis d’au moins une étape (a3) de traitement biologique d’élimination de la matière carbonée présente dans l’effluent en conditions anoxiques et/ou oxiques.
- au moins une étape (a1) de traitement physique ou (a2) de traitement physico-chimique ou la succession d’au moins une étape (a2) de traitement physico-chimique et d’au moins une étape (a1) de traitement physique,
- suivie d’au moins une étape (a4) de traitement biologique anaérobie d’élimination du phosphore présent dans l’effluent,
- puis d’au moins une étape (a3) de traitement biologique d’élimination de la matière carbonée présente dans l’effluent en conditions anoxiques et/ou oxiques.
Les boues issues des étapes de traitement (a1) physique et/ou (a2) de traitement physico-chimique et des étapes de traitement (a3) (a4) biologiques sont avantageusement combinées pour former le deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue.
L’homme du métier pourra choisir l’étape (a), et notamment une ou plusieurs des étapes (a1), (a2), (a3), (a4) précédemment décrites, de manière usuelle, en fonction de plusieurs facteurs, notamment la taille de l’usine, la qualité de l’eau usée à traiter et notamment sa teneur en azote et en carbone. Il pourra en outre choisir des conditions de mise en œuvre appropriées pour cette étape (a) pour maximiser la teneur en matière carbonée présente dans le deuxième effluent.
Etape
(
b) de traitement par électro-oxydation
Le premier effluent issu de l’étape (a) de traitement est ensuite traité par électro-oxydation pour produire un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite. Au cours de l’étape (b), au moins une partie des ions ammonium contenus dans le premier effluent sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote.
L’électro-oxydation, également appelée oxydation anodique ou oxydation électrochimique, est un procédé d’oxydation avancée. L’électro-oxydation peut être directe ou indirecte. L’électro-oxydation est directe lorsque les échanges d’électrons se font directement entre la surface d’une électrode et les ions (ions ammonium) adsorbés à la surface de l’électrode. L’électro-oxydation est indirecte lorsque les électrons sont échangés à l’aide d’oxydants intermédiaires. Ces oxydants peuvent être générés à la surface d’une électrode par transfert d’électrons à des ions présents dans l’eau (chlorures, sulfates) ou directement à l’eau (électrolyse de l’eau). Les principaux oxydants générés à la surface d’une électrode dans des eaux usées sont les radicaux hydroxyles (HO‒•), les radicaux sulfates (SO4 ‒•), l’acide hypochloreux (HClO), ou encore l’ozone (O3) ou le peroxyde d’hydrogène (H2O2). Par exemple, le traitement des ions ammoniums peut être réalisé par oxydation des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites à l’anode, alors que la réduction des nitrites et/ou nitrates en N2a lieu à la cathode. Alternativement, les ions ammonium peuvent être directement oxydés en N2à l’anode. L’électrolyse de l’eau résulte en la production de H2(gaz) au niveau de la cathode et en la production de O2(gaz) à l’anode.
L’électro-oxydation est un procédé bien connu qui ne sera pas décrit plus en détails. L’électro-oxydation est typiquement contrôlée en variant la densité de courant appliquée entre les électrodes ainsi que le débit d’effluent entrant dans l’enceinte d’électro-oxydation (temps de séjour).
Lors de cette étape d’électro-oxydation, la matière organique, notamment la matière carbonée réfractaire, et/ou les micropolluants organiques encore présents peuvent être éliminés par une électro-oxydation indirecte partielle ou totale, ce qui permet d’atteindre de faibles niveaux de carbone dans l’eau traitée.
De surcroit, les intermédiaires réactionnels (oxydants intermédiaires), par nature oxydant non sélectifs, ont une action sur les microorganismes, ce qui permet d’atteindre une désinfection partielle, voire totale, de l’eau traitée.
L’étape (b) peut comprendre, ou être constituée de, une étape d’électro-oxydation totale des ions ammonium en diazote.
Alternativement, l’étape (b) peut comprendre, ou être constituée de, une ou plusieurs étapes d’électro-oxydation, par exemple une étape d’électro-oxydation partielle d’au moins une partie des ions ammonium en nitrates et/ou nitrites suivie d’une étape d’électro-oxydation totale d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote, optionnellement avec une étape intermédiaire Anammox.
Dans un mode de réalisation, l’étape (b) d’élimination de l’azote peut ainsi comprendre une étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’une partie au moins des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites.
En sortie de cette étape d’électro-oxydation partielle (b1) au moins une partie de l’effluent produit peut être envoyée à l’étape (a) de traitement. Recycler une partie de l’effluent produit permettra d’optimiser le besoin énergétique pour l’abattement en carbone lorsque l’étape (a) de traitement contient une étape (a3) de traitement biologique en condition anoxique.
Le recyclage s’effectue avantageusement en amont ou dans l’étape (a3) de traitement biologique de la matière carbonée. Préférentiellement, ce recyclage est effectué en amont ou dans l’étape (a3) de traitement biologique en condition anoxique. La présence de nitrites et/ou nitrates dans ce recyclage permet en effet de supprimer totalement ou partiellement l’aération habituellement nécessaire pour abattre le carbone par un traitement biologique non nitrifiant.
L’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums peut être ensuite suivie d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote. Lors de l’étape (b2), au moins une partie des nitrates/nitrites sont réduits en diazote, cependant, une partie des ions ammoniums non oxydés lors de l’étape (b1) peuvent également être oxydés lors de cette étape.
L’étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites vise à parfaire l’élimination de l’azote total et à atteindre une teneur limite en d’azote total prédéterminée par les opérateurs ou par les normes de rejet. Cette limite peut être vérifiée par une mesure directe de la teneur en ions ammoniums et/ou nitrates et/ou nitrites avec des capteurs et/ou analyseurs appropriés.
Dans un troisième mode de réalisation alternatif, l’étape (b) peut comprendre l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’une partie des ions ammoniums suivie d’une étape (b3) de traitement biologique par oxydation d’au moins une partie des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies, aussi appelée Anammox, et optionnellement suivie d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote.
L’étape (b3) de traitement Anammox est ainsi couplée à l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums en nitrates/nitrites. En sortie de l’étape d’oxydation partielle (b1), seule une partie des ions ammoniums ont été oxydés. L’étape (b3) de traitement Anammox met en jeu des bactéries autotrophes anaérobies qui consomment des ions ammonium et des nitrites pour produire du N2sans avoir besoin d'oxygène et de carbone biodégradable. Il faut donc en entrée de l’étape (b3) de traitement Anammox à la fois des ions ammoniums et des nitrites qui sont fournis par l’étape d’oxydation partielle incomplète (b1). La combinaison des étapes (b1) et (b3) permet de réduire la consommation d'énergie globale d’élimination de l'azote, notamment, l’étape d’électro-oxydation totale (b2) des nitrates/nitrites située en aval n’ayant pas à oxyder tous les ions ammoniums non traités par l’étape (b1) et tous les ions nitrates/nitrites formés par l’étape (b1).
Cette mise en œuvre permet également un contrôle meilleur et stable du ratio NH4/NOx à l'entrée de l'Anammox car l’électro-oxydation partielle peut être contrôlée avec la densité de courant appliquée. L’étape (b1) d’électro-oxydation partielle peut ainsi être mise en œuvre de manière à obtenir en sortie un effluent présentant un ratio de concentrations nitrites/ions ammonium favorisant 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.
Cependant, l’étape (b3) de traitement Anammox peut ne pas atteindre un taux d'élimination des ions ammoniums élevé, ce qui conduirait à une percée des ions ammoniums et nitrites à la sortie du traitement, qui doivent être convertis en nitrates ou même partiellement en N2pour se conformer à une norme stricte de rejet. Il est alors préférable de faire suivre l’étape (b3) de traitement Anammox par l’étape (b2) d’électro-oxydation totale d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites et/ou ammonium restant en diazote.
Optionnellement, le gaz H2produit à la cathode lors de l’électrolyse de l’eau pouvant se produire lors des étapes d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums en nitrite / nitrate et / ou d’électro-oxydation (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote pourra être récupéré afin d’être valorisé.
Optionnellement, le gaz O2produit à l’anode lors de l’électrolyse de l’eau pouvant se produire lors des étapes d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums en nitrite / nitrate et / ou d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote pourra être récupéré afin d’être valorisé, ou réinjecté dans l’étape (a3) de traitement biologique d’élimination de la matière carbonée pour en réduire le besoin énergétique lorsque celle-ci est mise en œuvre partiellement ou totalement en conditions oxiques.
Etape optionnelle (d) du troisième effluent produit par l’étape (b)
Optionnellement, l’étape (b) de traitement est suivie par une étape de traitement (d) du troisième effluent produit. L’étape de traitement (d) du troisième effluent peut comprendre au moins un traitement choisi parmi un traitement d’élimination de matières en suspension, un traitement d’élimination de composés phosphorés, un traitement d’élimination de micropolluants, un traitement d’élimination de micro-organismes.
L’étape de traitement d’élimination de matières en suspension peut être un traitement physique ou physico-chimique tel que décrit lors de l’étape (a). Il peut s’agir par exemple d’une étape de décantation, de filtration ou de flottation avec ou sans, préférentiellement avec, coagulation/floculation préalable.
L’étape de traitement d’élimination de composés phosphorés peut être un traitement physique ou physico-chimique du type précédemment décrit avec l’ajout d’un coagulant apporté via un réactif chimique ou par électrocoagulation ayant pour but d’éliminer les composés phosphorés.
L’étape de traitement d’élimination de micropolluants ou des micro-organismes peut comprendre au moins un traitement choisi parmi une électrocoagulation, une oxydation avancée telle qu’une ozonation ou électro-oxydation ou par injection d’un oxydant fort (ex : ferrate), une étape d’adsorption sur charbon actif, une désinfection par exemple à l’aide d’oxydants (ex : chlore, peracides), de rayons Ultraviolets, de peracides ou de chlore.
L’étape de traitement (d) du troisième effluent est conçue pour nettoyer davantage l'eau lorsqu'elle est déversée dans un écosystème sensible ou pour la réutiliser. L’étape (d) de traitement permet de produire un quatrième effluent présentant une teneur en azote et en matière carbonée, en micropolluant et/ou en microorganismes respectant des spécifications fixées par l’opérateur ou la législation, et pouvant être déversé dans la nature ou réutilisé.
Etape
optionnelle
de contrôle
Le procédé de traitement peut également comprendre une étape de contrôle de l’étape (a) de traitement des eaux usées et de l’étape (b) de traitement par électro-oxydation.
L’étape de contrôle permet de contrôler la quantité de premier effluent entrant dans l’étape (b) de traitement et/ou dans l’une des étapes (b1), (b2) (b3) de l’étape (b). En variante ou en combinaison, l’étape de contrôle permet de contrôler la quantité de l’effluent produit lors de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums qui peut être recyclée dans l’étape (a).
Lors de l’étape de contrôle, on détermine d’abord (i1) une quantité d’azote présente dans le troisième effluent ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent de l’étape (a), l’effluent de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums et l’effluent de l’étape (b3) Anammox. La quantité d’azote peut être mesurée de manière directe par un capteur de mesure de la quantité d’ions ammoniums et/ou des nitrates/nitrites. La quantité d’azote peut également être mesurée de manière indirecte par des analyseurs d’ammoniac.
On détermine ensuite (i2) une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième effluent ou le quatrième effluent et on extrait ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et on la mélange au troisième effluent ou au quatrième effluent. A cet effet, la quantité d’azote mesurée dans le troisième ou le quatrième effluent peut être utilisée pour déterminer la quantité de l’au moins un effluent à extraire de sorte que combiné au troisième ou au quatrième effluent, la quantité d’azote totale de ce dernier ne dépasse pas une teneur limite en azote. La teneur limite en azote autorisée, notamment en ions ammoniums, peut être choisie en fonction des limites de rejet d’azote autorisées par la législation. Une fois la quantité d’effluent à extraire calculée en fonction des mesures effectuées sur le troisième ou quatrième effluent et l’au moins un effluent à extraire, cette quantité est extraite pour être injectée dans le troisième ou le quatrième effluent.
Lors de l’étape de contrôle du recyclage d’une partie de l’effluent produit lors de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums, une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) à envoyer à l’étape de traitement biologique de l’étape (a) est déterminée (i3). Cette quantité peut être déterminée par une mesure avec des capteurs de nitrates/ nitrites/ ammoniac ou par des analyseurs. Cette quantité correspond à une teneur en nitrites et/ou nitrates permettant d’éliminer la matière carbonée des eaux usées entrant dans ladite étape (a3) de traitement biologique. On pourra notamment prévoir lors de déterminer une quantité de matière carbonée des eaux usées afin de déterminer la quantité d’effluent à recycler. Cette quantité de l’effluent est ensuite envoyée à une étape (a3) de traitement biologique de l’étape (a), préférentiellement, lorsque cette étape est effectuée en condition anoxique. Le recyclage permet aussi de réduire l’énergie nécessaire à utiliser lors de la deuxième étape d’électro-oxydation (b2).
Étape
(
c)
de digestion anaérobie
Le deuxième effluent issu de l’étape (a) de traitement est traité par une étape (c) de digestion anaérobie produisant du biogaz et un digestat.
La digestion anaérobie ou méthanisation correspond à une cascade de réactions biochimiques permettant à des bactéries méthanogènes de convertir la matière organique présente dans un digesteur en biogaz correspondant principalement en un mélange de dioxyde de carbone et de méthane. Les matières restantes sont appelées digestat.
Les conditions de mise en œuvre de cette étape (c), notamment la température, le pH et le temps de séjour, peuvent avantageusement être choisies afin de maximiser la production de biogaz.
L’étape (c) de digestion anaérobie peut également comprendre, ou être suivie, d’une étape de séparation liquide-solide du digestat permettant de séparer le digestat en une fraction solide et une fraction liquide. Cette étape de séparation peut être une étape de déshydratation du digestat produisant une fraction solide (boue déshydratée) et une fraction liquide comme par exemple une étape de centrifugation ou encore de filtration.
Optionnellement, au moins une étape de prétraitement du deuxième effluent en amont de l’étape (c) de digestion anaérobie peut être implémentée pour augmenter son rendement. Cette étape de prétraitement peut être choisie parmi une étape de prétraitement chimique, mécanique, biologique et thermique.
L’étape de prétraitement chimique peut être une hydrolyse acide ou basique ou une oxydation avancée. Lors de l’étape de prétraitement chimique, les boues peuvent être chauffées à une température inférieure à 100°C.
L’étape de prétraitement mécanique peut être une étape de désintégration par ultrason, par micro-ondes ou par électrocinétique.
L’étape de prétraitement biologique est par exemple une étape de fermentation / hydrolyse en conditions mésophile (30 – 42°C) ou thermophile (45 – 70°C) avec un temps de séjour de l’ordre de 1 à 3 jours.
Enfin, l’étape de prétraitement thermique peut être un processus d'hydrolyse thermique (THP). Le processus d’hydrolyse thermique (THP) est un procédé consistant à chauffer les boues à une température généralement comprise entre 140 °C et 180°C avec une durée de traitement de 30 minutes à 60 minutes.
Optionnellement, une étape de post-traitement peut également être effectuée en sortie de l’étape (c) de traitement par digestion anaérobie du deuxième effluent. En effet, les boues digérées résultant de l’étape (c) de digestion anaérobie contiennent une grande quantité de matière organique non biodégradable utilisable pour la production d'énergie supplémentaire. L’étape de post-traitement est typiquement un processus de carbonisation hydrothermale (HTC). Ce processus fonctionne typiquement à des températures comprises entre 180°C et 280 °C pendant une durée allant de quelques minutes à plusieurs heures dans une atmosphère non oxydante. La boue déshydratée humide est traitée avec de la vapeur sous pression et le processus produit une fraction carbonée solide et une fraction liquide. La fraction liquide peut être renvoyée à l’étape (c) de digestion anaérobie afin d’augmenter la production de biogaz.
Etape optionnelle
de traitement
supplémentaire
(
e
) d
e la fraction liquide
du
digestat
produit par l’étape (
c
)
Dans une configuration alternative, l’étape (c) de digestion anaérobie du deuxième effluent peut être suivie d’une étape de traitement supplémentaire (e) d’au moins une part de la fraction liquide du digestat produit par l’étape (c) de digestion. L’effluent produit par l’étape supplémentaire (e) peut alors être renvoyé au flux d’entrée du procédé pour effectuer un recyclage de l’effluent. Le recyclage de ce flux permet d’optimiser le procédé en traitant un maximum les eaux usées et ainsi diminuer la charge contenue dans ces retours.
L’étape de traitement supplémentaire (e) peut être choisie parmi une étape (e0) de traitement par électrocoagulation, une étape (e1) de traitement par électro-oxydation, une étape (e2) de traitement biologique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies (traitement Anammox) et la succession de ces deux dernières étapes (e1) (e2) précédées ou non de l’étape (e0). La fraction solide de biomasse produite par cette étape (e2) Anammox peut être renvoyée en entrée de l’étape (c) de digestion.
L’étape supplémentaire (e) permet de traiter une fraction liquide riche en ions ammoniums afin de réduire sa teneur en azote pour qu’elle soit redirigée dans la conduite d’eau principale à l’entrée de l’étape (a) ou dans l’étape (a).
Préférentiellement, l’étape de traitement de la fraction liquide de l’étape supplémentaire (e) est une étape d’électro-oxydation qui est une oxydation totale des ions ammoniums en diazote. Dans cette configuration, l’électro-oxydation oxyderait également le carbone dissous et ne devrait pas être affectée par les variations du taux de capture du processus de prétraitement des boues. La température élevée et la forte charge en azote offrent également des conditions favorables à la cinétique de l'électro-oxydation.
Alternativement, l’étape de traitement de la fraction liquide de l’étape supplémentaire (e) est une étape d’électro-oxydation suivie d’une étape de traitement Anammox. Dans ce cas, l’étape d’électro-oxydation est une étape d’électro-oxydation partielle incomplète des ions ammoniums en nitrates/nitrites. Cette mise en œuvre conduit à un contrôle meilleur et stable du ratio NH4/NOx comme expliqué lors de la description de l’étape (b). Le bilan énergétique est également amélioré car seulement une part de la fraction liquide du digestat subit l’électro-oxydation ce qui réduit le besoin énergétique associé.
Optionnellement, l’étape supplémentaire (e) comprend une étape (e0) de traitement par électrocoagulation comprenant une première sous-étape de précipitation du phosphore et de l’ammonium contenu dans la fraction liquide du digestat sous forme de struvite par la mise en œuvre d’électrocoagulation par anode sacrificielle comprenant du magnésium, couplée à une sous-étape de séparation de la struvite formée pouvant être par exemple une filtration, une décantation. Cette étape (e0) a pour avantage de diminuer la quantité d’azote à oxyder par les étapes subséquentes, tout en produisant une ressource (la struvite) à forte valeur ajoutée agronomique (fertilisant), sans l’ajout de réactif chimique externe car le magnésium à apporter pour la précipitation provient de l’électrocoagulation.
Description de l’installation
En référence à la , l’installation 100 de traitement d’eaux usées contenant de l’azote principalement sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée comprend une première unité 110 de traitement des eaux usées adaptée à la mise en œuvre de l’étape (a) du procédé, une deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation adaptée à la mise en œuvre de l’étape (b) du procédé, et une troisième unité 130 de traitement par digestion anaérobie adaptée à la mise en œuvre de l’étape (c) du procédé.
La première unité 110 de traitement des eaux usées est configurée pour être alimentée par une conduite d’alimentation 1 des eaux usées contenant de l’azote en partie sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée et pour produire un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite évacué dans une première conduite d’évacuation 2 et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue évacué dans une seconde conduite d’évacuation 3. La première unité 110 de traitement peut être une unité de traitement physique, physico-chimique ou biologique. A cet effet, elle peut comprendre une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement, choisies parmi une zone réactionnelle de filtration, une zone réactionnelle de décantation, une zone réactionnelle de flottation, une zone réactionnelle de coagulation, une zone réactionnelle de floculation, une zone réactionnelle d’électrocoagulation et une zone réactionnelle de traitement biologique (avec aération pour un traitement en condition oxique ou sans aération pour un traitement en condition anoxique). On pourra notamment prévoir une ou plusieurs zones réactionnelles montées en parallèle et/ou en série pour la mise en œuvre de chaque étape de traitement physique (a1), physico-chimique (a2) ou biologique (a3, a4).
Une zone réactionnelle peut comprendre un réacteur ou une enceinte de traitement. Lorsque le réacteur ou l’enceinte de traitement met en œuvre un traitement biologique en cultures libres, la zone réactionnelle peut alors comprendre un système de séparation par décantation (clarificateur) ou par filtration.
Dans l’exemple de la , la première unité 110 peut comprendre une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement biologique, par exemple un unique réacteur séquentiel aussi appelé réacteur SBR (Sequential Batch Reactor), un réacteur à cultures libres en suspension en alimentation continue (boue activée) ou réacteur Biofiltre (réacteur mettant en œuvre des films biologiques minces et régulièrement renouvelés) ou plusieurs réacteurs distincts, notamment avec une recirculation entre eux. 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 fonctionnants 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. La première unité 110 lorsqu’elle contient une zone réactionnelle de traitement biologique aérobie sera dimensionnée de manière à ne pas réaliser la nitrification biologique.
La deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation est configurée pour être alimentée en premier effluent par une conduite d’alimentation 4 raccordée à la première conduite d’évacuation 2 de la première unité 110 de traitement et pour évacuer par une conduite d’évacuation 5 un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite. A cet effet, la deuxième unité 120 comprend au moins une zone réactionnelle d’électro-oxydation pour la mise en œuvre de l’au moins une étape d’électro-oxydation. Dans l’exemple de la , la deuxième unité 120 de traitement comprend une ou plusieurs zones réactionnelles d’électro-oxydation montées en série et/ou en parallèle. La ou les zones réactionnelles peuvent notamment mettre en œuvre une oxydation totale ou partielle. La deuxième unité 120 est en outre dépourvue d’une zone réactionnelle de traitement biologique aérobie. La deuxième unité 120 peut également comprendre une conduite 37 d’évacuation de dioxygène et une conduite 38 d’évacuation de dihydrogène d’une zone réactionnelle d’électro-oxydation.
La première conduite d’évacuation 2 et la conduite d’alimentation 4 sont également raccordées, ici par une vanne 30, à une conduite 13 de contournement (conduite de bypass) optionnelle. La conduite de contournement d’évacuation 13 est raccordée à la conduite d’évacuation 5 du troisième effluent.
La troisième unité 130 de traitement par digestion anaérobie comprend une conduite d’alimentation 6 raccordée à la deuxième conduite 3 de la première unité 110 de traitement, une conduite d’évacuation de biogaz 7 et une conduite d’évacuation 8 d’un digestat. La troisième unité 130 peut comprendre une ou plusieurs zones réactionnelles de digestion anaérobie, notamment montées en série et/ou en parallèle.
Les figures 2 et 3 présentent des configurations alternatives de l’installation, notamment pour la mise en œuvre de l’étape (a) de traitement des eaux usées. Les figures 2 et 3 présentent respectivement une installation 200 et 300 de traitement des eaux usées comprenant une première unité 110 de traitement des eaux usées, une deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation et une troisième unité 130 de traitement par digestion anaérobie. Ces unités 120 et 130 n’étant pas modifiées par rapport à la , les numérotations restent les mêmes pour ces unités et les conduites concernées.
En référence à la , la première unité 110 de traitement des eaux usées comprend une unité 111 de traitement physique et/ou physico-chimique des eaux usées apte à la mise en œuvre des étapes a1) ou a2) + a1) et une unité 112 de traitement biologique apte à réaliser l’étape a3) du procédé. L’unité 112 de traitement biologique comprend une ou plusieurs zones réactionnelles. Si le traitement biologique s’effectue en cultures libres, alors la dernière zone réactionnelle de l’unité comprend un système de séparation de la biomasse telle qu’une enceinte de clarification, non représentée sur la figure.
L’unité 111 de traitement physique et/ou physico-chimique est alimentée via la conduite d’alimentation 1 en eaux usées et comprend une conduite d’évacuation 9 d’une partie du deuxième effluent et une conduite d’évacuation 11 de l’effluent produit.
L’unité 112 de traitement biologique comprend une conduite d’alimentation 12 raccordée à la conduite d’évacuation 11 de l’unité 111. Elle est aussi raccordée à la première conduite d’évacuation 2 du premier effluent et comprend une deuxième conduite d’évacuation 3 d’une partie du deuxième effluent. La première conduite d’évacuation 2 est raccordée à la conduite d’alimentation 4 de la deuxième unité 120 et optionnellement à une conduite de contournement 13, tel que décrit en référence à la . Enfin, l’unité 112 peut recevoir le dioxygène circulant dans la conduite 37 décrite en référence à la .
La diffère de la par l’ajout d’une unité intermédiaire 113 entre les unités 111 et 112 apte à mettre en œuvre l’étape a4) du procédé au moyen d’une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement biologique. L’unité 113 est une unité de traitement biologique anaérobique comprenant une conduite d’alimentation 15 raccordée à la conduite d’évacuation 11 de l’unité 111 et une conduite d’évacuation 16 raccordée à conduite d’alimentation 12 de l’unité 112. L’unité 112 comprend également une conduite de recirculation des boues 34 raccordée à l’unité 113 de traitement biologique anaérobique. La conduite de recirculation 34 est présente uniquement si les traitements biologiques des unités 112 et 113 s’effectuent en cultures libres.
Les figures 4 et 5 présentent des configurations alternatives de l’installation, notamment pour la mise en œuvre de l’étape (b) de traitement par électro-oxydation. Les figures 4 et 5 présentent une installation 400 et 500 respectivement de traitement des eaux usées comprenant une première unité 110 de traitement des eaux usées, une deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation et une troisième unité 130 de traitement par digestion anaérobie. Ces unités 110 et 130 n’étant pas modifiés par rapport à la , les numérotations restent les mêmes pour ces unités et les conduites concernées.
En référence à la , la deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation comprend une unité 121 de traitement d’électro-oxydation partielle des ions ammoniums en ions nitrates/nitrites apte à mettre en œuvre l’étape b1) du procédé et une unité 122 de traitement d’électro-oxydation totale des ions nitrates/nitrites en diazote apte à mettre en œuvre l’étape b2) du procédé. Chaque unité 121, 122 comprend une ou plusieurs zones réactionnelles d’électro-oxydation.
L’unité 121 de traitement d’électro-oxydation partielle est alimentée en premier effluent via la conduite d’alimentation 4 raccordée à la conduite d’évacuation 2 de l’unité 110, et comprend une conduite d’évacuation 17 d’un effluent de sortie de l’étape b1). La conduite d’évacuation 17 est raccordée, ici par une vanne 30, 32 à au moins une conduite, ici trois conduites : une conduite d’alimentation 18 de l’unité 122, une conduite optionnelle de recirculation 20 d’une partie de l’effluent produit vers l’amont de l’unité 110 et une conduite de contournement 19 d’une partie de l’effluent produit. La conduite contournement 19 est raccordée à la conduite de contournement 13 et à la conduite d’évacuation 5 du troisième effluent. La conduite optionnelle de recirculation 20 renvoie préférentiellement l’effluent produit en amont de l’unité de traitement 112 mettant en œuvre l’étape a3) de la première unité de traitement 110 (non représentée ).
L’unité 122 de traitement par électro-oxydation totale comprend une conduite d’alimentation 18 raccordée à la conduite d’évacuation 17 de l’unité 121 et le troisième effluent qu’elle produit sort par la conduite d’évacuation 5.
La diffère de la par l’ajout d’une unité intermédiaire 123 située entre les unités 121 et 122 et apte à mettre en œuvre l’étape (b3) du procédé. L’unité 123 comprend une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement biologique non aérées. L’unité 123 est une unité de traitement Anammox et comprend une conduite d’alimentation 21 raccordée à la conduite d’évacuation 17 de l’unité 121 et une conduite d’évacuation 22 raccordée à conduite d’alimentation 18 de l’unité 122 et à la conduite de contournement 19. La conduite d’alimentation 21 de l’unité 123 est également raccordée à une conduite de by-pass 33 d’une partie du premier effluent issu de la conduite d’évacuation 2 de l’unité 110.
L’installation représentée présente une quatrième unité optionnelle 124 apte à mettre en œuvre l’étape de traitement (d) du troisième effluent. L’unité de traitement 124 comprend une conduite d’alimentation 23 raccordée à la conduite d’évacuation 5 de l’unité 122 et une conduite d’évacuation 24 du quatrième effluent. La quatrième unité peut comprendre une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement montées en série et/ou en parallèle.
La présente une configuration alternative de l’installation de traitement par digestion anaérobie. La présente une installation 600 de traitement des eaux usées comprenant une première unité 110 de traitement des eaux usées, une deuxième unité 120 de traitement par électro-oxydation et une troisième unité 130 de traitement par digestion anaérobie. Ces unités 110, 120 et 130 n’étant pas modifiées par rapport à la , les numérotations restent les mêmes pour ces unités et les conduites concernées, hormis pour l’unité 130 qui comporte ici une conduite d’évacuation 8’ d’une fraction liquide du digestat produit.
En référence à la , l’installation comprend une cinquième unité 131 apte à mettre en œuvre l’étape supplémentaire e) du procédé.
La cinquième unité 131 comprend une unité optionnelle de traitement 132 par électrocoagulation apte à réaliser l’étape e0), une unité de traitement 133 par électro-oxydation apte à réaliser l’étape e1) et une unité optionnelle de traitement Anammox 134 apte à réaliser l’étape e2). Chaque unité peut comprendre une ou plusieurs zones réactionnelles de traitement appropriées montées en série et/ou en parallèle.
L’unité 132 comprend une conduite d’alimentation 25 raccordée à la conduite d’évacuation 8’ de l’unité 130 et une conduite d’évacuation 26 de l’effluent produit.
Dans ce mode de réalisation, la troisième unité 130 comprend un système de séparation liquide-solide (non représenté) permettant de séparer le digestat en une fraction solide et une fraction liquide. La fraction liquide est alors évacuée par la conduite d’évacuation 8’. A noter que ce système de séparation liquide-solide pourrait être externe à la troisième unité 130 et situé entre celle-ci et la cinquième unité 131.
L’unité 133 comprend une conduite d’alimentation 27 raccordée à la conduite d’évacuation 26 de l’unité 132 et une conduite d’évacuation 28 de l’effluent produit.
L’unité 134 comprend une conduite d’alimentation 35 raccordée à la conduite d’évacuation 28 de l’unité 132 et une conduite d’évacuation 36 de l’effluent produit envoyant cet effluent dans la conduite d’alimentation 1 en eaux usées.
Les installations de traitement 100, 200, 300, 400, 500, 600 précédemment décrites peuvent également comprendre un système de contrôle du procédé pour mettre en œuvre les étapes (i1), (i2) et (i3) de l’étape de contrôle. En référence aux figures 1 à 6, le système de contrôle comprend au moins un dispositif de détermination 29 d’une teneur en ions ammoniums et/ou nitrates et/ou nitrites, au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide et une unité de contrôle 31.
L’unité de contrôle 31 est configurée pour mettre en œuvre :
- l’étape (i1) à partir des mesures reçues de l’au moins un dispositif de détermination 29,
- l’étape (i2) à partir des quantités déterminées à l’étape (i1) et en commandant l’au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide,
- l’étape (i3) à partir des quantités déterminées à l’étape (i1) et en commandant l’au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide.
- l’étape (i1) à partir des mesures reçues de l’au moins un dispositif de détermination 29,
- l’étape (i2) à partir des quantités déterminées à l’étape (i1) et en commandant l’au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide,
- l’étape (i3) à partir des quantités déterminées à l’étape (i1) et en commandant l’au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide.
L’au moins un dispositif de détermination 29 peut être un ou plusieurs capteurs de teneur en azote des effluents. L’au moins un dispositif 29 peut être installé au niveau de la conduite d’évacuation 5 du troisième effluent ou de la conduite d’évacuation 24 du quatrième effluent et au niveau d’au moins une conduite choisie parmi la première conduite d’évacuation 2 du premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite, la conduite d’évacuation 17 de l’effluent sortant de l’étape d’électro-oxydation partielle et optionnellement de la conduite d’évacuation 22 d’une partie de l’effluent produit par l’étape Anammox b3).
Les quantités mesurées par l’au moins un dispositif de détermination 29 sont envoyées à l’unité de contrôle 31 qui va calculer la quantité de fluide à extraire par les conduites de contournement et commander le déplacement de cette quantité. L’unité de contrôle 31 peut comprendre un ordinateur, ou plus généralement au moins un processeur ou tout autre type de calculateur numérique. L’unité de contrôle 31 peut également comprendre une pluralité de processeurs ou calculateurs numériques distincts, formant différents moyens du dispositif, coopérant les uns avec les autres.
L’au moins un dispositif de déplacement 30 du fluide peut comprendre une ou plusieurs vannes, par exemple une vanne trois ou quatre voies dont la troisième voie mène à la conduite de contournement 13 et optionnellement à la conduite de contournement 19. L’au moins un dispositif 30 peut également comprendre une ou plusieurs pompes volumétriques (ou une pompe quelconque associée à un variateur de fréquence et à un débitmètre pour en ajuster le débit) aptes à prélever une quantité calculée de fluide à extraire. Les conduites de contournement reliées aux vannes forment également des dispositifs de déplacement au sens de l’invention.
En référence aux figures 4 et 5, pour le contrôle du recyclage de l’effluent issu de la première unité de traitement par électro-oxydation, le système de contrôle comprend un dispositif de détermination 29 d’une teneur en ions ammoniums et/ou nitrates et/ou nitrites, un dispositif de déplacement 32 de fluide et l’unité de contrôle 31.
Le dispositif de détermination 29 peut être un capteur de teneur en azote des effluents. Il est ici installé au niveau de la conduite d’évacuation 17 de l’effluent sortant de l’unité de traitement d’électro-oxydation partielle 121.
La quantité mesurée est envoyée à l’unité de contrôle 31 qui va calculer la quantité de fluide à recycler correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique anoxique d’élimination de la matière carbonée. L’unité de contrôle 31 commande également le déplacement de la quantité de fluide à recycler.
Le dispositif de déplacement 32 du fluide peut être une vanne trois voies ou quatre voies dont l’une des voies mène à la conduite de recirculation 20. Le dispositif 32 peut également être une pompe volumétrique (ou une pompe quelconque associée à un variateur de fréquence et à un débitmètre) apte à prélever la quantité calculée à recycler.
Les différents modes de réalisation présentés en référence aux figures 1 à 6 sont combinables suivant l’objectif de traitement décidé.
Claims (18)
- Procédé de traitement d’eaux usées contenant de l’azote sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée, ledit procédé comprenant :
(a) une étape de traitement des eaux usées pour produire un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
(b) une étape de traitement d’au moins une partie du premier effluent pour produire un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, et,
(c) une étape de digestion anaérobie du deuxième effluent pour produire du biogaz et un digestat ;
ledit procédé étant caractérisé en ce que l’étape (b) de traitement est réalisée sans mise en œuvre d’une nitrification biologique en condition aérobie et comprend au moins une étape d’électro-oxydation au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans le premier effluent sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote. - Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape (a) de traitement comprend au moins une étape de traitement de la matière carbonée choisie parmi une étape (a1) de traitement physique, optionnellement précédée d’une étape (a2) de traitement physico-chimique, et une étape (a3, a4) de traitement biologique de la matière carbonée.
- Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape (a1) de traitement physique est choisie parmi une étape de décantation, une étape de flottation et une étape de filtration, et l’étape (a2) de traitement physico-chimique est choisie parmi une étape de coagulation-floculation, une étape de floculation seule et une étape d’électrocoagulation suivie d’une floculation.
- Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape (b) comprend une étape d’électro-oxydation totale d’au moins une partie des ions ammoniums en diazote.
- Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’étape (b) comprend une étape d’électro-oxydation partielle (b1) d’au moins une partie des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites.
- Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 5 caractérisé en ce que l’étape (b) comprend :
(i) l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) dans laquelle une partie des ions ammoniums sont oxydé en nitrates et/ou nitrites, suivie d’une étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies, ou
(ii) l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) dans laquelle au moins une partie des ions ammoniums sont oxydé en nitrates et/ou nitrites, suivie d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote, ou
(iii) l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) dans laquelle une partie des ions ammoniums sont oxydé en nitrates et/ou nitrites, suivie d’une étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies puis d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote. - Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce qu’au moins une partie de l’effluent produit par ladite étape d’électro-oxydation partielle (b1) ou par l'étape (b3) de traitement biologique anoxique est envoyée à l’étape (a) de traitement, en amont ou dans une étape de traitement biologique anoxique (a3) de la matière carbonée de l’étape (a).
- Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce lors de l’étape d’électro-oxydation (b), (b1), (b2), une électrolyse d’eau présente dans l’effluent se produit résultant en la production de dihydrogène à la cathode et de dioxygène à l’anode et en ce que l’on récupère le dihydrogène et/ou le dioxygène, et optionnellement envoyer le dioxygène à l’étape (a) de traitement, en amont ou dans une étape de traitement biologique (a3) de la matière carbonée de l’étape (a).
- Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de traitement (d) du troisième effluent produit par l’étape (b) de traitement pour produire un quatrième effluent, cette étape de traitement (d) comprenant au moins un traitement choisi parmi un traitement d’élimination de matières en suspension, un traitement d’élimination de composés phosphorés, un traitement d’élimination de micropolluants, un traitement d’élimination de micro-organismes.
- Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape de contrôle dans laquelle :
(i1) on détermine une quantité d’azote présente dans le troisième effluent ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums et l’effluent de l’étape (b3) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies,
puis
(i2) on détermine une quantité de l’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et on extrait ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et on la mélange au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
(i3) on détermine une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (b1) des ions ammoniums à envoyer à une étape de traitement biologique anoxique (a3) de l’étape (a), cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique anoxique d’élimination de la matière carbonée, et on envoie ladite quantité de cet effluent à l’étape (a3) de traitement biologique anoxique de l’étape (a). - Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins une étape de traitement (e) d’au moins une part d’une fraction liquide du digestat produit par l’étape (c) de digestion, cette étape de traitement étant choisie parmi une étape (e0) de traitement par électrocoagulation, une étape de traitement par électro-oxydation (e1) au cours de laquelle au moins une partie des ions ammonium contenus dans ladite fraction liquide sont oxydés en nitrites et/ou nitrates, et/ou en diazote, une étape (e2) de traitement biologique anoxique par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies et la succession des deux étapes (e1) (e2) précédées ou non de l’étape (e0).
- Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 11, caractérisé en ce que l’étape (e0) de traitement par électrocoagulation comprend une sous-étape de précipitation de struvite par dissolution électrochimique d’une anode sacrificielle comprenant du magnésium, couplée à une sous-étape de séparation de la struvite précipitée.
- Installation de traitement (100, 200, 300, 400, 500, 600) d’eaux usées contenant de l’azote sous forme d’ions ammonium et de la matière carbonée, comprenant :
- une première unité (110) de traitement des eaux usées comprenant une conduite d’alimentation (1) en eaux usées, une première conduite d’évacuation (2) d’un premier effluent présentant une teneur en matière carbonée réduite et une deuxième conduite (3) d’évacuation d’un deuxième effluent présentant une teneur en matière carbonée accrue,
- une deuxième unité (120) de traitement, comprenant une conduite d’alimentation (4) raccordée à la première conduite (2) de la première unité (110) de traitement et une conduite d’évacuation (5) d’un troisième effluent présentant une teneur en azote réduite, la deuxième unité de traitement comprenant au moins une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et étant dépourvue d’une zone réactionnelle de traitement biologique aérobie,
- une troisième unité (130) de traitement par digestion anaérobie comprenant une conduite d’alimentation (6) raccordée à la deuxième conduite (3) de la première unité (110) de traitement, une conduite d’évacuation (7) de biogaz et une conduite d’évacuation (8) d’un digestat. - Installation de traitement selon la revendication 13 caractérisée en ce que la première unité comprend au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement physique, optionnellement couplée à une zone réactionnelle de traitement physico-chimique, et une zone réactionnelle de traitement biologique.
- Installation de traitement selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que la deuxième unité de traitement comprend :
- au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et au moins une deuxième zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la première zone réactionnelle, ou
- au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, au moins une deuxième zone réactionnelle de traitement biologique non aérée et au moins une troisième zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, chaque deuxième zone réactionnelle étant raccordée à une première zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent produit par la première zone réactionnelle, chaque troisième zone réactionnelle étant raccordée à une deuxième zone réactionnelle par une conduite d’évacuation de l’effluent sortant de la deuxième zone réactionnelle. - Installation de traitement selon la revendication 15, caractérisée en ce qu’elle comprend une conduite de recirculation reliant une sortie de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation ou de l’au moins une deuxième zone réactionnelle de traitement biologique non aérée à une entrée d’une zone réactionnelle de traitement biologique de la première unité.
- Installation de traitement selon l’une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une autre unité de traitement choisie parmi :
- une quatrième unité de traitement (124) comprenant une conduite d’alimentation raccordée à une conduite d’évacuation (5) de la deuxième unité de traitement et une conduite d’évacuation d’un quatrième effluent, et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement d’élimination de matières en suspension, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de composés phosphorés, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micropolluants, une zone réactionnelle de traitement d’élimination de micro-organismes,
- une cinquième unité de traitement (131) comprenant une conduite d’alimentation raccordée à une conduite d’évacuation (8’) d’une fraction liquide d’un digestat de la troisième unité et une conduite d’évacuation d’un effluent, optionnellement raccordé à la conduite d’alimentation (1) de la première unité (110), et comprenant au moins une zone réactionnelle choisie parmi une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation, une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée par oxydation des ions ammonium par des bactéries autotrophes anaérobies, et ces deux dernières zones réactionnelles précédées ou non d’une zone réactionnelle de traitement par électrocoagulation, une sortie de la zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation étant raccordée à une entrée de la zone réactionnelle de traitement biologique non aérée. - Installation de traitement selon l’une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisée en ce qu’elle est équipée d’un système de contrôle comprenant au moins un dispositif de détermination d’une teneur en ions ammoniums et/ou nitrates et/ou nitrites, au moins un dispositif de déplacement de fluide, et une unité de contrôle configurée pour :
- déterminer une quantité d’azote présente dans le troisième ou le quatrième effluent et dans au moins un effluent à extraire choisi parmi le premier effluent, l’effluent de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation et l’effluent de l’au moins une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité,
puis
- déterminer une quantité d’au moins un effluent à extraire pour atteindre une teneur limite en azote dans le troisième ou le quatrième effluent et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’extraire ladite quantité de l’au moins un effluent à extraire et de la mélanger au troisième ou au quatrième effluent, et/ou
- déterminer une quantité de l’effluent issu de l’au moins une première zone réactionnelle de traitement par électro-oxydation à envoyer à une zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité de traitement, cette quantité correspondant à une teneur en nitrates et/ou nitrites nécessaire à un traitement biologique non aérée d’élimination de la matière carbonée et commander l’au moins un dispositif de déplacement de fluide afin d’envoyer ladite quantité de cet effluent à ladite zone réactionnelle de traitement biologique non aérée de la première unité (110).
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Patent Citations (2)
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