WO2004065313A1 - Procede et dispositif de reduction de la production de boues de stations d'epuration - Google Patents

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sludge
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anaerobic
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    • Y02W10/20—Sludge processing

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for reducing the production of sludge from urban or industrial wastewater treatment plants.
  • the high organic matter content of the sludge produced during the purification of urban or industrial wastewater which is typically of the order of 65 to 80%, gives them a major and growing interest in applications in anaerobic digestion.
  • This type of treatment makes it possible both to reduce volumes and to recover, from an energy point of view, the organic matter contained in the sludge, thanks to the generation of a biogas rich in methane.
  • Anaerobic digestion of sewage sludge is a process well known to those skilled in the art which has been very studied over the past twenty years.
  • Mesophilic anaerobic digestion processes (in one or two stages): during the implementation of these processes the operating temperature is between 30 and 40 ° C, the hydraulic residence times (TSH) commonly applied vary between 15 and 25 days and the volume loads used can generally vary between 1.5 and 2.5 kgMV / m 3 . j. In this configuration, anaerobic digestion makes it possible to reduce the organic matter content of the sludge by 45 to 55%.
  • thermophilic phase for this type of implementation, the process is often broken down into two phases.
  • the first phase is called hydrolysis and acidification and the second phase is called methanogenesis.
  • thermophilic stage also makes it possible to guarantee a hygienization of the sludge (reduction of pathogens), an increase in the rates of elimination of organic matter and an increase in the production of biogas.
  • RPB sludge
  • thermophilic enzymatic degradation EP-A-924 168 and 1 008 558 in loop on the biological basin is very interesting and leads, for certain processes, to reductions significant sludge production, beyond 80% expressed on the dry matter.
  • various drawbacks are inherent in the implementation of these methods, namely:
  • thermophilic enzymatic stress 60 to 70 ° C. for 24 to 72 h
  • solubilizations 20 to 40% of the organic matter and from 5 to 25% of the mineral matter contained in the sludges resulting from an anaerobic mesophilic or thermophilic digestion process or combining the two operating modes.
  • the present invention proposes to solve, at the source, the problems posed by processes to reduce the production of biological sludge and to remove the intrinsic limitations of the processes for digesting sludge anaerobically.
  • the present invention provides a method for reducing the production of sludge from urban or industrial wastewater treatment plants, by anaerobic route, characterized in that it is independent of the water treatment line and in that that it comprises at least one aerobic step of biological solubilization by thermophilic enzymatic route, associated with a step of anaerobic mesophilic, thermophilic digestion or associating these two operating modes.
  • thermophilic enzymatic route it is possible in particular to implement the technique described in EP-A-924 168 or 1 008 558.
  • the step of biological solubilization by thermophilic enzymatic route can be located upstream or downstream of the step of anaerobic mesophilic or thermophilic digestion, or combining these two operating modes. According to another embodiment, it can be located in a derivative circuit, in parallel with said anaerobic mesophilic or thermophilic digestion step.
  • the method for reducing sludge production is implemented in the sludge treatment sector, it does not lead to significant modifications in the operation of the water treatment sector. Furthermore, the organic material solubilized during the biological step of thermophilic enzymatic solubilization being degraded by Anaerobic route in the process of the invention, this degradation does not lead to an overconsumption of oxygen in the water treatment sector and therefore no increase in the oxygen supply on this treatment line. water.
  • the present invention makes it possible to increase by 10 to 40% the kinetics of biogas production as well as the degradation yield of the organic materials contained in the mud compared to a conventional process of anaerobic digestion of sludge.
  • the present invention makes it possible to significantly improve the reduction in the concentration of pathogenic microorganisms in the effluent mud and also a partial or total elimination of the filamentous microorganisms responsible for the foaming phenomenon in the anaerobic digestion stage.
  • the implementation of the method of the invention allows an improvement in the dryness of the sludge of between 10 and 30% compared to the conventional anaerobic digestion methods.
  • the process according to the invention is energetically self-balanced and, according to these different modes of implementation, part of the biogas produced during the anaerobic digestion of the sludge is used as an energy source to heat or maintain temperature (50 to 70 ° C) the reactor in which the aerobic biological solubilization step is carried out by thermophilic enzymatic route.
  • the method can include a secondary phosphating step which is implemented in the circuit for reducing the sludge production, in addition to that implemented in the main water treatment line. In this case, the phosphorus pollution is eliminated by chemical precipitation, by the addition of metal salts and / or mineral compounds.
  • FIGS. 1a to 1a schematically represent the different possible configurations for the implementation, according to the process which is the subject of the invention, of the coupling of the step of thermophilic enzymatic solubilization and the anaerobic digestion step
  • FIG. 2 is a diagram representing a conventional installation of RPB in a loop on an aeration tank.
  • a device according to the present invention comprises:
  • a biological treatment installation with low, medium or high load which can be carried out in the form of an activated sludge reactor: anaerobic zone R, anoxia zone X, aerobic zone A and secondary clarifier C.
  • thermophilic solubilization reactor B sized for residence times from 4 to 96 h, maintained at a temperature of 50 to 70 ° C, which can be heated through the use of biogas produced by anaerobic digestion of sludge.
  • An anaerobic digestion device for DA sludge capable of implementing a mesophilic, thermophilic anaerobic digestion process or combining these two operating modes (with or without acidogenesis step).
  • One or more devices implementing DPI or DP2 phosphorus precipitation methods which can be based on the chemical precipitation of phosphorus by adding metal salts or mineral compounds (calcium or magnesium salts).
  • the process which is the subject of the present invention makes it possible, by means of thermophilic enzymatic treatment, to limit, in the anaerobic digestion step, the foaming phenomena due to the presence of filamentous microorganisms. Furthermore, these configurations make it possible to improve from 1 to 10% the dryness of the residual sludge after dewatering treatment.
  • the phosphorus solubilized during the step of thermophilic enzymatic degradation is found in 3 and diluted in the flow rate "Q".
  • the same quantity of phosphorus is found in the flow rate "q" which is 50 to 250 times lower than the flow rate Q (3, FIG. 2).
  • the concentration of phosphorus to be treated is therefore 50 to 250 times greater. This allows other elimination routes, a better precipitation yield compared to stoichiometry, therefore a saving of reagent and a production of dephosphating sludge lower.

Abstract

Procédé de réduction de la production de boues des stations d'épuration des eaux usées urbaines ou industrielles, par voie anaérobie, caractérisé en ce qu'il est indépendant de la ligne de traitement des eaux et en ce qu'il comporte au moins une étape aérobie de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile, associée à une étape de digestion anaérobie mésophile, thermophile ou associant ces deux modes de fonctionnement.

Description

Procédé et dispositif de réduction de la production de boues de stations d' puration
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de réduction de la production de boues des stations d'épuration des eaux usées urbaines ou industrielles .
On sait que l'épuration des eaux résiduaires par voie biologique consiste à utiliser, comme substrat, la pollution organique et azotée qui, d'une part se transforme en C02 et en N2 , et, d'autre part conduit à la croissance de la biomasse épuratrice. L'excédent de biomasse ainsi formée constitue ce qu'il est convenu d'appeler les boues biologiques en excès. Le traitement et l'évacuation finale de ces boues en excès constituent un enjeu majeur pour les aspects environnementaux et économiques. C'est ainsi, qu'avec une production annuelle de plus de 1 000 000 tonnes de matières sèches par an en ce qui concerne le traitement des eaux urbaines en France (pour l'année 2000) les boues produites par les stations d'épuration constituent une préoccupation grandissante exacerbée par les nouvelles contraintes réglementaires, environnementales, sanitaires, économiques et psychologiques . L'interdiction de la mise en décharge des déchets non ultimes, les contraintes sévères pour la valorisation agricole (notamment vis-à-vis des métaux lourds et de certains composés organiques suspects) , la maîtrise des coûts et des risques de pollution atmosphérique de l'incinération vont peser lourdement sur l'élimination de ces déchets.
Par ailleurs, la forte teneur en matières organiques des boues produites lors de l'épuration des eaux usées urbaines ou industrielles, qui est typiquement de l'ordre de 65 à 80 %, leur confère un intérêt majeur et grandissant pour des applications en filières de digestion anaérobie. Ce type de traitement permet à la fois de réduire les volumes et de valoriser, d'un point de vue énergétique, la matière organique contenue dans les boues, grâce à la génération d'un biogaz riche en méthane .
La digestion anaérobie des boues d'épuration est un procédé bien connu de l'Homme de l'art qui a été très étudié au cours des vingt dernières années. Cependant, l'intérêt grandissant pour des procédés en accord avec la notion de développement durable, les pressions importantes sur les filières classiques d'élimination des boues et les efforts de recherche et d'optimisation consentis, font de la digestion anaérobie une technique d'avenir particulièrement adaptée pour le traitement des boues des stations d'épuration des eaux usées.
On connaît à l'heure actuelle de nombreuses variantes de configuration et de mise en œuvre des procédés de digestion anaérobie des boues. De façon simplifiée, il est possible de regrouper ces diverses variantes sous trois grandes familles de procédés de digestion anaérobie :
Les procédés de digestion anaérobie mésophile (en une ou deux étapes) : lors de la mise en œuvre de ces procédés la température de fonctionnement se situe entre 30 et 40 °C, les temps de séjour hydraulique (TSH) couramment appliqués évoluent entre 15 et 25 jours et les charges volumiques mises en œuvre peuvent généralement varier entre 1,5 et 2,5 kgMV/m3. j . Dans cette configuration, la digestion anaérobie permet de réduire de 45 à 55 % la teneur en matière organique des boues.
Les procédés de digestion anaérobie incluant au moins une phase thermophile : pour ce type de mise en œuvre, le procédé est souvent décomposé en deux phases . La première phase est dite d'hydrolyse et d'acidification et la seconde phase est dite de méthanogénèse . Par rapport au procédé de digestion anaérobie mésophile mentionné ci- dessus, la conduite d'au moins une de ces étapes en condition thermophile, c'est-à-dire à une température de 50 à 60 °C, peut permettre un gain important sur les cinétiques de réaction et donc sur les temps de séjour hydraulique nécessaires (TSH global souvent inférieur à 15 jours) et permet également une augmentation des charges volumiques admissibles (CV = 2,5 à 4 kgMV/m3. j ) . Selon certains auteurs, la mise en œuvre d'une étape thermophile permet également de garantir une hygiénisation des boues (réduction des pathogènes) , une augmentation des taux d'élimination de la matière organique et une augmentation de la production de biogaz. Les procédés de digestion anaérobie mésophile ou thermophile mettant en œuvre une étape d'hydrolyse « assistée » : dans ces procédés, quel que soit le type de digestion anaérobie mis en œuvre, l'étape de solubilisation et d'hydrolyse de la matière organique particulaire présente dans la boue est souvent considérée comme l'étape limitante dans le processus global de digestion des boues par voie anaérobie. Ainsi, de nombreux auteurs s' intéressant au domaine de la digestion anaérobie ont cherché à développer des techniques de prétraitement des boues permettant de promouvoir et de favoriser l'hydrolyse de la matière organique particulaire. Ces prétraitements peuvent être réalisés sous la forme de procédés thermiques, chimiques (par l'ozone, peroxyde d'hydrogène, par variation de pH) ou mécaniques (par broyage, désintégration par ultrasons...) . Dans ces diverses configurations, les auteurs revendiquent généralement des améliorations en ce qui concerne la réduction de matière organique, les cinétiques de réaction et le rendement de production de biogaz .
D'un point de vue général, les améliorations apportées aux procédés de digestion anaérobie grâce à l'utilisation d'une étape thermophile ou à la mise en œuvre d'un prétraitement d'hydrolyse de la matière organique permettent un gain significatif sur les cinétiques de réaction observées dans les conditions classiques de digestion anaérobie mésophile. Les résultats ainsi obtenus conduisent donc à des réductions significatives des temps de séjour hydraulique nécessaires à la digestion anaérobie. Cependant, les taux de conversion des matières organiques contenues dans la boue demeurent quasi identiques aux valeurs observées dans le cas du fonctionnement en digestion anaérobie mésophile, c'est-à-dire au maximum 55 à 60 %. , ^,^„ 4/065313
Les problèmes actuels liés à l'élimination des boues des stations d'épuration des eaux usées confèrent également un grand intérêt aux technologies innovantes de réduction de la production de boues (RPB) des installations de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines ou industrielles . Certaines de ces techniques de RPB sont basées sur le couplage entre un procédé à boues activées conventionnel et un traitement des boues installé en boucle sur le bassin d'aération. Le traitement associé peut être d'origine mécanique, chimique, thermique ou biologique et il repose souvent sur le couplage de plusieurs de ces techniques. Parmi ces dernières, l'association de l'étape de traitement de RPB par dégradation enzymatique thermophile (EP-A-924 168 et 1 008 558) en boucle sur le bassin biologique est très intéressante et conduit, pour certains procédés, à des réductions de production de boue significatives, au-delà de 80 % exprimé sur la matière sèche. Cependant, divers inconvénients sont inhérents à la mise en œuvre de ces procédés, à savoir :
- La mise en place d'un procédé de RPB, en boucle sur le bassin d'aération, se traduit par de nombreux impacts sur la conception, les performances et l'exploitation de l'ensemble de la station d'épuration (modification des concentrations en boues, de la vitesse de décantation, de la qualité d'eau traitée),
- La minéralisation par voie biologique aérobie de la matière organique rendue biodégradable par le traitement enzymatique thermophile conduit à une surconsommation d'oxygène au niveau du bassin d'aération. - La possibilité de valorisation énergétique, inhérente à la conversion de la matière organique des boues en biogaz par voie biologique anaérobie est négligée.
La consommation de phosphore, qui participe à la synthèse de la matière vivante de la biomasse, est diminuée dans les mêmes proportions que la réduction de la production de boues. Cette fraction du phosphore reste donc sous forme soluble dans l'eau et nécessite, quand le rejet en milieu naturel l'impose, un traitement spécifique par précipitation physicochimique. Or, compte tenu des faibles concentrations à éliminer (de l'ordre de quelques mg/1) , le rendement de la réaction nécessite un très large excès de réactif de précipitation par rapport à la stœchiométrie . La production de boue de déphosphatation physico-chimique est alors très importante. Cette production de boue diminue d'autant l'intérêt global du procédé de RPB.
Conformément à la remarque précédente, l'efficacité d'une étape d'élimination du phosphore par voie biologique est réduite dans les mêmes proportions que la production de boue.
La présente titulaire a constaté, de façon particulièrement surprenante pour l'Homme de l'art, que l'application d'un stress enzymatique thermophile (60 à 70 °C durant 24 à 72 h) conduisait, en fonction des conditions du stress, à des solubilisations de 20 à 40 % de la matière organique et de 5 à 25 % de la matière minérale contenues dans les boues issues d'un procédé de digestion anaérobie mésophile, thermophile ou combinant les deux modes de fonctionnement.
Partant de cette constatation, la présente invention se propose de résoudre, à la source, les problèmes posés par les procédés de réduction de la production de boue biologique et de lever les limitations intrinsèques des procédés de digestion des boues par voie anaérobie.
En conséquence, la présente invention apporte un procédé de réduction de la production de boues des stations d'épuration des eaux usées urbaines ou industrielles, par voie anaérobie, caractérisé en ce qu'il est indépendant de la ligne de traitement des eaux et en ce qu'il comporte au moins une étape aérobie de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile, associée à une étape de digestion anaérobie mésophile, thermophile ou associant ces deux modes de fonctionnement .
En ce qui concerne l'étape de solubilisation par voie enzymatique thermophile, on peut notamment mettre en œuvre la technique décrite dans EP-A-924 168 ou 1 008 558.
Selon l'invention, l'étape de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile peut être située en amont ou en aval de l'étape de digestion anaérobie mésophile ou thermophile, ou associant ces deux modes de fonctionnement. Selon un autre mode de mise en œuvre, elle peut être située en circuit dérivé, en parallèle avec ladite étape de digestion anaérobie mésophile ou thermophile.
Etant donné que, selon l'invention, le procédé de réduction de production de boue est mis en œuvre sur la filière de traitement des boues, il ne conduit pas à des modifications significatives du fonctionnement de la filière de traitement de l'eau. Par ailleurs, la matière organique solubilisée lors de l'étape biologique de solubilisation enzymatique thermophile étant dégradée par voie anaérobie dans le procédé de l'invention, cette dégradation ne conduit pas à une surconsommation d'oxygène au niveau de la filière de traitement de l'eau et donc aucune augmentation de l'apport en oxygène sur cette ligne de traitement de l'eau.
Selon ces différents modes de mise en œuvre, la présente invention permet d'augmenter de 10 à 40 % la cinétique de production de biogaz ainsi que le rendement de dégradation des matières organiques contenues dans la boue par rapport à un procédé conventionnel de digestion anaérobie des boues .
La présente invention permet d'améliorer de manière significative la réduction de la concentration en microorganismes pathogènes dans la boue effluente et également une élimination partielle ou totale des micro-organismes filamenteux responsables du phénomène de moussage dans l'étape de digestion anaérobie.
Par ailleurs, la mise en œuvre du procédé de l'invention permet une amélioration de la siccité des boues comprise entre 10 et 30 % par rapport aux procédés classiques de digestion anaérobie.
Le procédé selon l'invention est énergétiquement auto-équilibré et, selon ces différents modes de mise en œuvre, une partie du biogaz produit lors de la digestion anaérobie des boues est utilisée comme source d'énergie pour chauffer ou maintenir en température (50 à 70 °C) le réacteur dans lequel s'effectue l'étape aérobie de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile . Selon la présente invention, le procédé peut comporter une étape de déphosphatation secondaire qui est mise en œuvre dans le circuit de réduction de la production des boues, en complément de celle mise en œuvre dans la ligne principale de traitement de l'eau. Dans ce cas la pollution phosphoree est éliminée par précipitation chimique, par addition de sels métalliques et/ou de composés minéraux.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront lors de la description faite ci-après de différents modes de mise en œuvre. Au cours de cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels : les figures la à le représentent de façon schématique les différentes configurations possibles pour la mise en œuvre, selon le procédé objet de l'invention, du couplage de l'étape de solubilisation enzymatique thermophile et de l'étape de digestion anaérobie et la figure 2 est un schéma représentant une installation classique de RPB en boucle sur un bassin d'aération.
En se référant aux figures la à le, on voit que, selon les différentes configurations, un dispositif selon la présente invention comporte :
- Une installation de traitement biologique a faible, moyenne ou forte charge pouvant être réalisée sous la forme d'un réacteur à boues activées : zone anaérobie R, zone anoxie X, zone aérobie A et clarificateur secondaire C.
- Un dispositif d' épaississement des boues EP permettant d'atteindre des concentrations de 10 à 100 g MES /l
- Un réacteur de solubilisation thermophile enzymatique B dimensionné pour des temps de séjour de 4 à 96 h, maintenu à une température de 50 à 70 °C, pouvant être chauffé grâce à l'utilisation du biogaz produit par la digestion anaérobie des boues.
- Un dispositif de digestion anaérobie des boues DA pouvant mettre en œuvre un procédé de digestion anaérobie mésophile, thermophile ou associant ces deux modes de fonctionnement (avec ou sans étape d' acidogénèse) .
- Un dispositif DH de déshydratation des boues digérées.
Un ou plusieurs dispositif mettant en œuvre des procédés de précipitation du phosphore DPI ou DP2 pouvant être basé sur la précipitation chimique du phosphore par addition de sels métalliques ou de composés minéraux (sels de calcium ou de magnésium) .
Selon les configurations illustrées par ces figures, le procédé objet de la présente invention, permet, par l'intermédiaire du traitement enzymatique thermophile, de limiter, dans l'étape de digestion anaérobie, les phénomènes de moussage dus à la présence de microorganismes filamenteux. Par ailleurs, ces configurations permettent d'améliorer de 1 à 10 % la siccité des boues résiduelles après traitement de déshydratation.
Dans une installation classique de RPB en boucle sur le bassin d'aération, telle qu'illustrée par la figure 2, le phosphore solubilisé lors de l'étape de dégradation thermophile enzymatique se retrouve en 3 et dilué dans le débit « Q ». Dans le cas de la présente invention (figures la) , la même quantité de phosphore se retrouve dans le débit « q » qui est 50 à 250 fois inférieur au débit Q (3, figure 2. La concentration en phosphore à traiter, par exemple par précipitation chimique au moyen de sels métalliques et ou de composés minéraux, est donc 50 à 250 fois supérieure. Cela autorise d'autres voies d'élimination, un meilleur rendement de précipitation par rapport à la stœchiometrie, donc une économie de réactif et une production de boue de déphosphatation plus faible. II est, de plus, envisageable d'utiliser des ouvrages de séparation du précipité plus compact . En outre la collecte, en un point de boues concentrées en phosphate minéral, permet d'envisager une valorisation spécifique. Le procédé objet de l'invention permet donc de répondre aux inconvénients des installations de réduction de production de boues directement intégrées en boucle sur le bassin de boues activées et permet d'améliorer de façon surprenante les performances des procédés de digestion anaérobie conventionnels . II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation et de mise en œuvre décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes .

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de réduction de la production de boues des stations d'épuration des eaux usées urbaines ou industrielles, par voie anaérobie, caractérisé en ce qu'il est indépendant de la ligne de traitement des eaux et en ce qu'il comporte au moins une étape aérobie de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile, associée à une étape de digestion anaérobie mésophile, thermophile ou associant ces deux modes de fonctionnement .
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile est située en amont de l'étape de digestion anaérobie mésophile ou thermophile, ou associant ces deux modes de fonctionnement.
3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile est située en aval de l'étape de digestion anaérobie mésophile ou thermophile, ou associant ces deux modes de fonctionnement.
4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile est située en circuit dérivé, en parallèle avec l'étape de digestion anaérobie mésophile ou thermophile, ou associant ces deux modes de fonctionnement .
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de déphosphatation secondaire mise en œuvre dans le circuit de réduction de la production de boues en complément de celle mise en œuvre dans la ligne principale de traitement de l'eau.
6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pollution phosphoree est éliminée par précipitation chimique par addition de sels métalliques et/ou de composés minéraux.
7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est energetiquement auto-équilibré et, en ce qu'une partie du biogaz produit lors de la digestion anaérobie des boues est utilisée comme source d'énergie pour chauffer ou maintenir en température le réacteur dans lequel s'effectue l'étape aérobie de solubilisation biologique par voie enzymatique thermophile.
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