WO2023222979A1 - Procédé de traitement d'eaux usées avec maximisation de la production de biogaz comprenant une étape d'electro-oxydation - Google Patents

Procédé de traitement d'eaux usées avec maximisation de la production de biogaz comprenant une étape d'electro-oxydation Download PDF

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WO2023222979A1
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treatment
effluent
reaction zone
oxidation
electro
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PCT/FR2023/050707
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Mathieu Haddad
Romain MAILLER
Sofiane MAZEGHRANE
Clément ROCHE
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Suez International
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    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/28—Anaerobic digestion processes

Definitions

  • Wastewater treatment process with maximization of biogas production including an electro-oxidation step
  • the invention relates to a process for treating wastewater and associated sludge, in particular a carbon and nitrogen removal treatment with maximization of biogas production.
  • wastewater treatment is a three-stage process: a primary treatment stage, a secondary treatment stage and a tertiary treatment stage.
  • the first primary treatment stage generally makes it possible to reduce the solids and/or organic matter content of the wastewater to be treated.
  • This is typically a settling stage, possibly assisted by a prior addition of coagulant and flocculant, during which the wastewater is placed in a holding tank or a settling basin.
  • the solids contained in the wastewater thus settle to the bottom of the tank where they are collected and lighter substances such as fats and oils are collected on top of the wastewater present in the tank.
  • This step thus produces so-called primary sludge and an effluent with a reduced solids content.
  • These primary sludges are generally treated by anaerobic digestion to produce biogas, an energetic gas composed essentially of methane and carbon dioxide.
  • the secondary treatment step makes it possible to reduce the carbon and/or nitrogen and/or phosphorus content of the effluent having a reduced solids content leaving the first treatment step.
  • organic matter, nitrogen compounds and/or phosphorus compounds are assimilated or decomposed by aerobic and/or anaerobic and/or anoxia bacteria. It is therefore a biological treatment step, most often implemented in free culture reactors (so-called “activated sludge” process).
  • the third stage of tertiary treatment is designed to further clean water when it is discharged into a sensitive ecosystem or for reuse. This step may involve the removal of phosphorus and/or micropollutants and/or disinfection and/or filtration.
  • N/DN denitrification
  • Nitrification is an aerobic oxidation reaction, requiring active aeration, in which a specialized group of autotrophic bacteria oxidizes ammonia nitrogen or ammonium, noted as NH4 or NH4 + , to:
  • nitrous nitrogen also known as nitrite, NO2 or NO2
  • nitrate nitrogen also known as nitrate, NO3 or NOs’.
  • Denitrification consists of anoxic reduction, during which a specialized group of heterotrophic bacteria (which may be anaerobic) couple the oxidation of organic substrates with the reduction of nitrates to either nitrous oxide (N2O) or nitrogen gas (dinitrogen, N2).
  • a specialized group of heterotrophic bacteria which may be anaerobic
  • N2O nitrous oxide
  • N2 nitrogen gas
  • the nitrogen content must respect limits depending on the regulations, which can significantly impact the design of the treatment to be carried out.
  • the lower the limit nitrogen content the longer the nitrification step must be and require strong aeration (high oxygen demand).
  • Low nitrogen contents are also difficult to achieve by biological denitrification treatment, which also requires large quantities of biodegradable carbon often coming from an external supply when biodegradable carbon is not available in sufficient quantity in the effluent. to be treated in relation to the quantity of oxidized nitrogen to be denitrified.
  • the sludge retention time (or SRT) is one of the key parameters for the design of the treatment chain because autotrophic nitrifying bacteria have a growth rate lower than the growth rate of heterotrophic microorganisms. denitrification, and must be maintained in the system in order to achieve effective nitrification. This growth rate further decreases with operating temperature. Thus, low temperatures and/or low nitrogen release limits require prolonged aeration as well as an increase in the age of the sludge produced, the sludge retention time and the hydraulic retention time, which conditions the sizing of the units. If a long sludge retention time allows good development of autotrophic nitrifying bacteria, the quantity of biomass formed under these conditions is reduced: the system is said to operate at low load. Conversely, a short sludge retention time limits, or even prevents, the development of nitrifying bacteria, and consequently denitrification, but allows the quantity of biomass formed to be increased: the system is said to operate under heavy load.
  • Strict nitrogen discharge limits not only result in high construction costs due to sludge retention times and retention times high hydraulics, but also by high operating costs due in particular to the addition of reagent (addition of carbonates to increase alkalinity during autotrophic nitrification, addition of methanol as an external carbon source during heterotrophic denitrification, addition of a source of phosphate in case of nutrient deficiency), high oxygen demand (high aeration) and high pumping flows (internal and external recirculation).
  • a downstream secondary treatment producing activated sludge at low load has a lower methanogenic potential than a downstream secondary treatment producing activated sludge at high load (called also “High Rate Activated Sludge” or “HRAS”), in which the carbon is not treated by a reactor carrying out biological nitrification.
  • HRAS High Rate Activated Sludge
  • the heterotrophic bacteria do not have enough food, they therefore consume from their reserve (endogenous respiration), which reduces the methanogenic potential.
  • the sludge produced is therefore younger and the sludge production is greater, as is its methanogenic potential.
  • biological nitrogen treatments are complex to control to the extent that the performance of these treatments is controlled indirectly: the activity of bacteria is typically regulated by the dissolved oxygen content in the medium, itself controlled by a air injection setpoint and therefore the flow rate of the blower. These treatments are also only effective after a period of biomass growth. Furthermore, during the biological nitrification step at low load, filamentous bacteria can be produced, likely to cause malfunctions (in particular loss of settleability of the sludge causing a leak of suspended matter at the clarification outlet) due to particularly swelling and foam formation.
  • a first subject of the invention relates to a process for treating wastewater containing nitrogen in the form of ammonium ions and carbonaceous material, said process comprising:
  • step (b) of said process is carried out without implementing biological nitrification under aerobic conditions and comprises at least one electro-oxidation step during which at least part of the ammonium ions contained in the first effluent are oxidized into nitrites and/or nitrates, and/or dinitrogen.
  • Electro-oxidation is also a treatment with less risk of malfunction compared to a biological nitrification treatment (no risk of malfunction due to the production of filamentous bacteria, foam formation or sludge swelling).
  • Electro-oxidation also makes it possible to achieve very low nitrogen levels in the treated water without being limited by an initial carbon content and makes it possible to reduce the production of nitrous oxide, a reaction intermediate in biological reactions of oxidation of ammoniacal nitrogen and reduction of nitrates, which is a greenhouse gas.
  • step (a) of treating the waste water can be implemented under conditions in which the carbon content present in the second effluent is maximized, which makes it possible to optimize the production of biogas by anaerobic digestion during step (c).
  • the treatment step (a) can comprise at least one step of treating the carbonaceous material chosen from a physical treatment step (al), optionally preceded by a physico-chemical treatment step (a2), and a biological treatment step (a3, a4) of the carbonaceous material.
  • the physical and/or physico-chemical treatment makes it possible to reduce the content of the wastewater to be treated in solids, organic matter likely to flocculate and possibly phosphorus, to thus reduce the carbon content of the first effluent.
  • the physical treatment step can be chosen from a decantation step, a flotation step and a filtration step
  • the physicochemical treatment step can be chosen from a coagulation-flocculation step, a flocculation alone and an electrocoagulation step followed by flocculation, or a combination of these steps.
  • the treatment step (a) may comprise at least one biological treatment step (a3) of the carbonaceous material, in particular carried out under conditions unfavorable to nitrification. This involves treating (i.e. eliminating) only the soluble biodegradable carbonaceous material (i.e. the non-particulate carbonaceous material) from the effluent to be treated in order to produce a first effluent with a reduced carbonaceous material content and a second effluent with increased carbon content.
  • a3 biological treatment step of the carbonaceous material
  • the biological treatment of carbonaceous material can be carried out in anoxic conditions or in oxic condition.
  • step (b) may comprise a step of total electro-oxidation of at least part of the ammonium ions to dinitrogen.
  • step (b) may comprise a partial electro-oxidation step (bl) of at least part of the ammonium ions to form nitrates and/or nitrites.
  • At least part of the effluent produced by said partial electrooxidation step (bl) can be sent to treatment step (a), upstream or in an anoxic biological treatment step (a3) of the material. carbonaceous from step (a).
  • the recirculation of part of the partially oxidized effluent in such an anoxic biological treatment step (a3) makes it possible to maximize denitrification and the elimination of carbon to achieve a production of sludge (forming the second effluent) with a potential high methanogen.
  • the recirculation in the anoxic biological treatment step (a) (a3) allows the reduction of the carbon present in the wastewater entering the biological treatment step (a3), and possibly the carbon present in the part of the partially oxidized effluent recycled in this step (a3) made biodegradable by the partial electro-oxidation step, while providing the oxygen necessary for this reduction through the nitrates/nitrites produced during step (bl ) partial electro-oxidation, which makes it possible to reduce the need for aeration of said biological carbon treatment step (a3).
  • step (b) may comprise the partial electro-oxidation step (bl) in which part of the ammonium ions are oxidized to nitrates and/or nitrites, for example where only half of the ammonium ions are oxidized to nitrates and/or nitrites, followed by a step (b3) of anoxic biological treatment by oxidation of ammonium ions by anaerobic autotrophic bacteria (Anammox step).
  • the partial electro-oxidation step (b2) is then incomplete.
  • step (bl) In the case where the incomplete partial electro-oxidation step (bl) is followed by this Anammox step (b3), at least part of the effluent produced by this step (b3) can be returned to the step (b3).
  • An advantage of the Anammox step (b3) at the outlet of the incomplete partial oxidation step (bl) is to oxidize the remaining ammonium ions while reducing the amount of energy required compared to a step (b) not implementing only one or more electro-oxidation steps.
  • step (b) may comprise the step of partial electro-oxidation (bl) of at least a part, preferably all, of the ammonium ions to nitrates and/or nitrites followed by a step of total electro-oxidation (b2) of at least a part, preferably all, of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • step (bl) may comprise the step of partial electro-oxidation (bl) of at least a part, preferably all, of the ammonium ions to nitrates and/or nitrites followed by a step of total electro-oxidation (b2) of at least a part, preferably all, of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • step (b) may comprise the step of partial electro-oxidation (bl) of a portion of the ammonium ions (for example half) to nitrates and/or nitrites followed by a step anoxic biological treatment by ion oxidation ammonium by anaerobic autotrophic bacteria (b3, Anammox step) then a step of total electro-oxidation (b2) of at least a part, preferably all, of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • the total electro-oxidation step (b2) of nitrates and/or nitrites to dinitrogen aims to complete the elimination of total nitrogen and to reach the total nitrogen limit targeted or regulated by legislation.
  • the Anammox step (b3) aims to oxidize a portion of the ammonium ions, to thus reduce the energy consumption necessary for the electro-oxidation step. total (b2) of nitrates and/or nitrites into dinitrogen and reduce the overall energy consumption implemented during step (b) for the elimination of nitrogen.
  • electrolysis of water present in the effluent can occur resulting in the production of dihydrogen at the cathode and dioxygen at the cathode. the anode.
  • the treatment method can further comprise a step of treatment (d) of the third effluent produced by the treatment step (b) to produce a fourth effluent, this treatment step (d) comprising at least one treatment chosen from a treatment for eliminating suspended matter, a treatment for eliminating phosphorus compounds, a treatment for eliminating micropollutants (in particular organic and/or metallic pollutants) and a treatment for eliminating microorganisms.
  • this treatment step (d) comprising at least one treatment chosen from a treatment for eliminating suspended matter, a treatment for eliminating phosphorus compounds, a treatment for eliminating micropollutants (in particular organic and/or metallic pollutants) and a treatment for eliminating microorganisms.
  • the treatment stage (d) of the third effluent aims to further clean the water so that it meets discharge standards when discharged into a sensitive ecosystem or for reuse.
  • the treatment method can also comprise a control step in which:
  • a quantity of the at least one effluent to be extracted is determined to reach a limiting nitrogen content in the third or fourth effluent and said quantity of the at least one effluent to be extracted is extracted and it is mixed with the third or to the fourth effluent, and/or
  • a quantity of the effluent resulting from the partial electro-oxidation step (bl) of the ammonium ions to be sent to an anoxic biological treatment step (a3) of step (a) is determined, this quantity corresponding to a nitrate and/or nitrite content necessary for an anoxic biological treatment for eliminating carbonaceous material, and we sends said quantity of this effluent to the anoxic biological treatment step (a3) of step (a).
  • the control step comprising the sequence (il) (i2) aims to reduce the quantities of effluent treated by step (b) while respecting the standards for nitrogen discharge in the third effluent, which makes it possible to reduce the dimensions of installations and/or processing costs.
  • the control step comprising the sequence (il) (i3) makes it possible to optimize the recirculation of the effluent produced by the partial electro-oxidation step (bl) so as to provide the necessary quantity of nitrates/nitrites for the reduction in step (a3) of the carbon initially contained in the wastewater.
  • Step (il) may in particular also include a determination of the quantity of carbonaceous material contained in the wastewater to be treated entering step (a), and during step (i3), the quantity of effluent may be determined according to its nitrate and/or nitrite content and the carbon content of the wastewater to be treated.
  • the control step comprising the sequence (il) (i3) also makes it possible to optimize the quantity of nitrogen to be treated by the total electro-oxidation step (b2) by minimizing it.
  • the control step can implement the two sequences of steps (il) (i2) and (il) (i3) or only one of the two.
  • the treatment process may further comprise at least one treatment step (e) of at least one part of a liquid fraction of the digestate produced by digestion step (c), this treatment step being chosen from a step (eO) of treatment by electrocoagulation, a step of treatment by electro-oxidation (el) during which at least part of the ammonium ions contained in said liquid fraction are oxidized to nitrites and/or nitrates, and/or to dinitrogen, a step (e2) of anoxic biological treatment by oxidation of ammonium ions by anaerobic autotrophic bacteria (Anammox step) and the succession of the two steps (el) (e2) preceded or not by step (eO).
  • a treatment step (e) of at least one part of a liquid fraction of the digestate produced by digestion step (c) this treatment step being chosen from a step (eO) of treatment by electrocoagulation, a step of treatment by electro-oxidation (el) during which at least part of the ammonium ions
  • the electrocoagulation treatment step (eO) may comprise a sub-step of precipitation of struvite by electrochemical dissolution of a sacrificial anode comprising magnesium, coupled with a sub-step of separation of the precipitated struvite.
  • this treatment step (e) is to treat the nitrogen contained in the liquid fraction of the digestate produced by the ammonium-rich digestion step (c), which in particular makes it possible to return the treated liquid fraction to the line d. the main wastewater supply to the process, in step (a) or upstream of step (a).
  • Another object of the invention relates to a wastewater treatment installation containing nitrogen in the form of ammonium ions and carbonaceous material, in particular for the implementation of the process according to the invention.
  • the treatment installation according to the invention comprises:
  • a first wastewater treatment unit comprising a wastewater supply pipe, a first pipe for evacuating a first effluent having a reduced carbonaceous content and a second pipe for evacuating a second effluent having an increased carbonaceous material content
  • a second treatment unit comprising a supply pipe connected to the first pipe of the first treatment unit, a pipe for evacuating a third effluent having a reduced nitrogen content, the second treatment unit comprising at least an electro-oxidation treatment reaction zone and being devoid of an aerobic biological treatment reaction zone,
  • the first unit may comprise at least one reaction zone chosen from a physical treatment reaction zone, optionally coupled to a physico-chemical treatment reaction zone, and a biological treatment reaction zone.
  • the second processing unit may include:
  • each second reaction zone being connected to a first reaction zone by a pipe for evacuating the effluent leaving the first reaction zone, or
  • each second reaction zone being connected to a first reaction zone by a pipe for evacuating the effluent leaving (in particular produced by) the first reaction zone
  • each third reaction zone being connected to a second reaction zone by a pipe for evacuating the effluent leaving the second reaction zone.
  • the treatment installation may comprise a recirculation pipe connecting an outlet of the at least one first electro-oxidation treatment reaction zone or of the at least one second non-aerated biological treatment reaction zone to an inlet of a biological treatment reaction zone of the first unit.
  • the second processing unit may comprise at least one discharge pipe from an electro-oxidation reaction zone chosen from a dihydrogen discharge pipe and a dioxygen discharge pipe.
  • the treatment installation may also include at least one other treatment unit chosen from:
  • a fourth treatment unit comprising a supply pipe connected to an evacuation pipe of the second treatment unit and a pipe for evacuating a fourth effluent, and comprising at least one selected reaction zone among a reaction zone for treatment of elimination of suspended matter, a reaction zone for treatment of elimination of phosphorus compounds, a reaction zone for treatment of elimination of micropollutants, a reaction zone for treatment of elimination of microorganisms,
  • a fifth treatment unit comprising a supply pipe connected to a pipe for evacuating a liquid fraction of a digestate from the third unit and a pipe for evacuating an effluent, optionally connected to the pipe supply of the first unit, and comprising at least one reaction zone chosen from a reaction zone for treatment by electrocoagulation, a reaction zone for treatment by electro-oxidation, a reaction zone for non-aerated biological treatment by oxidation of ammonium ions by autotrophic bacteria anaerobes (Anammox reaction zone), and these last two reaction zones preceded or not by an electrocoagulation treatment reaction zone, an outlet of the electro-oxidation treatment reaction zone being connected to an inlet of the biological treatment reaction zone not ventilated.
  • the electrocoagulation treatment reaction zone may in particular comprise an electrochemical reactor equipped with a sacrificial anode comprising magnesium and a solid-liquid separation device.
  • the treatment installation can be equipped with a control system comprising at least one device for determining a content of ammonium and/or nitrate and/or nitrite ions, at least one fluid displacement device, and a control unit configured for:
  • Anammox ANaerobic AMMOnium OXidation During this reaction, in anoxia conditions (in the absence of oxygen), rammonium is transformed into gaseous nitrogen using nitrites as an electron acceptor. This reaction is carried out in the presence of anaerobic autotrophic bacteria (they do not need free or dissolved O2).
  • BMP methanogenic potential, corresponds to the maximum quantity of methane produced by a compound during its anaerobic degradation. It is generally expressed as the volume (NmL) of methane produced per gram of volatile substrate material.
  • HRT Hydraulic retention time
  • N/DN Nitrification / Denitrification.
  • Refractory carbon carbon that cannot be removed by the purifying biomasses of wastewater treatment processes because the compound is too complex.
  • Total electro-oxidation stage stage in which a total electrochemical oxidation of the species present is carried out (total oxidation of ammonium ions to dinitrogen, total oxidation of nitrites/nitrates to dinitrogen).
  • Partial electro-oxidation stage stage in which a partial electrochemical oxidation of the species present is carried out, e.g. ammonium ions into nitrates and/or nitrites.
  • An electro-oxidation step (total or partial) is incomplete when only part of the ions present in the effluent are oxidized.
  • treatment in anoxic conditions we mean a treatment carried out in an environment to which no Ch is supplied (without aeration) but where oxygen is available in the environment in combined form, for example nitrates, sulfates or other.
  • oxygen is available in the environment in combined form, for example nitrates, sulfates or other.
  • treatment in oxic conditions is carried out in an environment to which oxygen O2 is supplied.
  • Biological treatment can be carried out in fixed cultures where the bacteria develop in the form of a biofilm on the surface of a support material or in free cultures (also called activated sludge) where the bacteria develop freely in the enclosure (flocs) .
  • the biological treatment is in free cultures (or “activated sludge”), it then includes a step of separating the bacterial culture (i.e. sludge) from the treated liquid effluent.
  • the sludge is generally returned to biological treatment. Separation can be carried out in a clarifier (decanter) or in filters using microfiltration or ultrafiltration membranes.
  • the separation of the biomass can be carried out downstream of the last reactor.
  • wastewater we mean urban wastewater whose origin is essentially domestic but a part of which may be of industrial origin, or even industrial wastewater, in particular that coming from the agri-food industry or any other industry producing effluents loaded with carbonaceous matter and nitrogen.
  • the wastewater will be municipal urban wastewater.
  • Struvite is an ammonium-magnesium-phosphate salt with the chemical formula NH 4 MgPO 4 • 6 H 2 O.
  • Figure 1 is a schematic representation of the treatment installation according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic representation of the treatment installation according to a first alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of the treatment installation according to a second alternative embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of the treatment installation according to a third alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of the treatment installation according to a fourth alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a schematic representation of the treatment installation according to a fifth alternative embodiment of the invention.
  • the process according to the invention is a process for treating wastewater containing nitrogen in the form of ammonium ions (NH 4 + ) and carbonaceous material, in other words a process for eliminating nitrogen and carbonaceous matter in wastewater.
  • This wastewater often contains suspended particles which can also be eliminated by the process according to the invention.
  • the nitrogen present in wastewater is mainly in the form of ammonium ions, however, it can also be present in the form of organic nitrogen which will ultimately be transformed by bacteria into ammonium ions through an ammonification reaction.
  • the wastewater treatment process comprises a wastewater treatment step (a) producing a first effluent having a reduced carbonaceous material content and a second effluent having an increased carbonaceous material content, a treatment step (b) comprising at least one step of electro-oxidation of at least part of the first effluent to produce a third effluent having a reduced nitrogen content and a step (c) of anaerobic digestion of the second effluent to produce biogas and a digestate.
  • Step (a) is thus a carbonaceous material elimination step while step (b) is a nitrogen elimination step and step (c) a biogas production step.
  • step (b) is a carbonaceous material elimination step while step (b) is a nitrogen elimination step and step (c) a biogas production step.
  • Wastewater treatment step (a) produces a first effluent having a reduced carbon content compared to the wastewater to be treated and a second effluent having an increased carbonaceous content compared to the wastewater to be treated.
  • This treatment step (a) is a first treatment step which may comprise at least one treatment step chosen from a physical treatment step (al), optionally preceded by a physico-chemical treatment step (a2), and a step (a3, a4) of biological treatment, or a combination of these steps.
  • the physical treatment step (al) can be chosen from a decantation step, a flotation step or a filtration step.
  • the purpose of step (al) is to eliminate solid particles.
  • the physical treatment step (al) thus produces sludge which corresponds to the second effluent having an increased carbonaceous material content and an effluent corresponding to the first effluent having a reduced carbonaceous material content.
  • the physicochemical treatment step (a2) generally includes a coagulation (or electrocoagulation) step followed by a flocculation step.
  • This type of treatment is typically carried out in the presence of chemical reagents, for example a coagulant and/or a flocculant.
  • the coagulant can be added to the water to be treated or formed in situ (electrocoagulation).
  • the flocculant is usually added to coagulated water.
  • a flocculation step alone is also possible.
  • the physico-chemical treatment step (a2) is implemented upstream of step (al) when it is present.
  • the addition of a flocculant, or a coagulant and a flocculant, upstream of a physical treatment makes it possible to improve the separation of the first and second effluents, by also eliminating colloidal organic matter which may flocculate, and speed up the process, which will reduce the size of the installations.
  • the physical treatment step (al) is a decantation step with or without prior physicochemical treatment step (a2), in particular with or without prior coagulation/flocculation.
  • the treatment step (a) may also include at least one step (a3) of biological treatment of the carbonaceous material.
  • the biological treatment step (a3) can be carried out under anoxic or oxic conditions adapted to eliminate the carbonaceous material present in the treated wastewater.
  • Treatment in anoxic conditions makes it possible to eliminate biodegradable carbonaceous material by denitrification, that is to say without adding oxygen by aeration.
  • part of the effluent produced by step (b) containing nitrates and/or nitrites is returned upstream of step (a) or in step (a), in upstream or in step (a3) of biological treatment in anoxic condition, which makes it possible to eliminate residual nitrogen during the biological treatment of carbon.
  • Treatment in oxic conditions makes it possible to eliminate residual biodegradable carbonaceous material.
  • the sequence of anoxic then oxic conditions makes it possible to limit the air intake for the overall elimination of carbon, and thus optimize the energy needs of said step (a3) of biological treatment.
  • step (a3) of biological treatment is implemented in conditions limiting nitrification, i.e. using a low sludge age (low sludge retention time).
  • the aim of this step is to only treat the carbonaceous material and not the nitrogen present in the waste water.
  • those skilled in the art will be able to choose suitable conditions by controlling in particular one or more of the following parameters: residence time of the sludge (in particular chosen according to the temperature of the environment), hydraulic retention time, aeration, supply of oxygen, etc.
  • the biological treatment step (a3) thus produces sludge which corresponds to the second effluent having an increased material content and an effluent corresponding to the first effluent having a reduced carbonaceous material content.
  • step (a3) of biological treatment is carried out under anoxic conditions.
  • step (a3) of biological treatment is carried out in two parts, the first being in anoxic condition and the second in oxic condition. Carrying out the biological treatment in anoxic conditions then in oxic conditions will make it possible to treat the residual biodegradable carbon and produce sludge with a high methanogenic potential.
  • the treatment step (a) may also comprise at least one step (a4) of anaerobic biological treatment in free cultures of the carbonaceous material to advantageously biologically treat (eliminate) part of the phosphorus contained in the effluent.
  • step (a4) is followed by step (a3), these steps are carried out in free cultures.
  • step (a3) includes a separation step carried out for example in a clarifier. The separated activated sludge is then returned to step (a4).
  • processing step (a) may include:
  • step (al) of physical treatment or (a2) of physico-chemical treatment or the succession of at least one step (a2) of physico-chemical treatment and at least one step (al) of treatment physical (such as for example a preliminary decantation or filtration step with or without coagulation/flocculation),
  • processing step (a) may include:
  • step (a3) of biological treatment for eliminating the material carbon present in the effluent under anoxic and/or oxic conditions.
  • the sludge from the physical treatment steps (a1) and/or (a2) physico-chemical treatment and the biological treatment steps (a3) (a4) are advantageously combined to form the second effluent having an increased carbonaceous material content.
  • step (a) will be able to choose step (a), and in particular one or more of the steps (al), (a2), (a3), (a4) previously described, in the usual manner, depending on several factors, in particular the size of the plant, the quality of the wastewater to be treated and in particular its nitrogen and carbon content. He will also be able to choose appropriate implementation conditions for this step (a) to maximize the carbon content present in the second effluent.
  • the first effluent from treatment step (a) is then treated by electro-oxidation to produce a third effluent having a reduced nitrogen content.
  • step (b) at least part of the ammonium ions contained in the first effluent are oxidized to nitrites and/or nitrates, and/or to dinitrogen.
  • Electro-oxidation also called anodic oxidation or electrochemical oxidation, is an advanced oxidation process. Electro-oxidation can be direct or indirect. Electro-oxidation is direct when electron exchanges take place directly between the surface of an electrode and the ions (ammonium ions) adsorbed on the surface of the electrode. Electro-oxidation is indirect when electrons are exchanged using intermediate oxidants. These oxidants can be generated on the surface of an electrode by transfer of electrons to ions present in water (chlorides, sulfates) or directly to water (electrolysis of water).
  • the main oxidants generated on the surface of an electrode in wastewater are hydroxyl radicals (HO), sulfate radicals (SO4), hypochlorous acid (HC1O), or even ozone (O3) or peroxide. hydrogen (H2O2).
  • HO hydroxyl radicals
  • SO4 sulfate radicals
  • HC1O hypochlorous acid
  • O3 ozone
  • hydrogen H2O2
  • the treatment of ammonium ions can be carried out by oxidation of ammonium ions to nitrates and/or nitrites at the anode, while the reduction of nitrites and/or nitrates to N2 takes place at the cathode.
  • ammonium ions can be directly oxidized to N2 at the anode.
  • the electrolysis of water results in the production of H2 (gas) at the cathode and in the production of O2 (gas) at the anode. This electrolysis can occur whether the electro-oxidation is
  • Electro-oxidation is a well-known process which will not be described in further detail. Electro-oxidation is typically controlled by varying the current density applied between the electrodes as well as the flow rate of effluent entering the electro-oxidation chamber (residence time).
  • the organic material in particular the refractory carbonaceous material, and/or the organic micropollutants still present can be eliminated by partial or total indirect electro-oxidation, which makes it possible to achieve low carbon levels in treated water.
  • reaction intermediates intermediate oxidants
  • non-selective oxidants have an action on microorganisms, which makes it possible to achieve partial, or even total, disinfection of the treated water.
  • Step (b) may comprise, or consist of, a step of total electro-oxidation of ammonium ions to dinitrogen.
  • step (b) may comprise, or consist of, one or more electro-oxidation steps, for example a step of partial electro-oxidation of at least part of the ammonium ions to nitrates and/or nitrites followed by a step of total electro-oxidation of at least part of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen, optionally with an intermediate Anammox step.
  • electro-oxidation steps for example a step of partial electro-oxidation of at least part of the ammonium ions to nitrates and/or nitrites followed by a step of total electro-oxidation of at least part of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen, optionally with an intermediate Anammox step.
  • step (b) of nitrogen elimination can thus comprise a step of partial electro-oxidation (bl) of at least part of the ammonium ions to form nitrates and/or nitrites.
  • Recycling is advantageously carried out upstream or in step (a3) of biological treatment of the carbonaceous material.
  • this recycling is carried out upstream or in step (a3) of biological treatment in anoxic conditions.
  • the presence of nitrites and/or nitrates in this recycling makes it possible to totally or partially eliminate the aeration usually necessary to reduce carbon through non-nitrifying biological treatment.
  • the partial electro-oxidation step (bl) of the ammonium ions can then be followed by a total electro-oxidation step (b2) of at least part of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • a total electro-oxidation step (b2) of at least part of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • step (b2) at least part of the nitrates/nitrites are reduced to dinitrogen, however, part of the ammonium ions not oxidized during step (bl) can also be oxidized during this step.
  • the total electro-oxidation step (b2) of at least part of the nitrates and/or nitrites aims to complete the elimination of the total nitrogen and to reach a limit content of total nitrogen predetermined by the operators or by discharge standards. This limit can be verified by direct measurement of the ammonium and/or nitrate and/or nitrite ion content with appropriate sensors and/or analyzers.
  • step (b) may comprise the step of partial electro-oxidation (bl) of a portion of the ammonium ions followed by a step (b3) of biological treatment by oxidation of at least part of the ammonium ions by anaerobic autotrophic bacteria, also called Anammox, and optionally followed by a step of total electro-oxidation (b2) of at least part of the nitrates and/or nitrites to dinitrogen.
  • the Anammox treatment step (b3) is thus coupled to the partial electro-oxidation step (bl) of the ammonium ions to nitrates/nitrites.
  • Anammox treatment step (b3) involves anaerobic autotrophic bacteria which consume ammonium ions and nitrites to produce N2 without the need for oxygen and biodegradable carbon. It is therefore necessary as an input to the Anammox treatment step (b3) both ammonium ions and nitrites which are supplied by the incomplete partial oxidation step (bl).
  • steps (bl) and (b3) makes it possible to reduce the overall energy consumption for nitrogen elimination, in particular, the optional step of total electro-oxidation (b2) of nitrates/nitrites located downstream then not having to oxidize all the ammonium ions not treated by step (bl) and all the nitrate/nitrite ions formed by step (bl).
  • the partial electro-oxidation step (bl) can thus be implemented so as to obtain at the outlet an effluent presenting a ratio of nitrite/ammonium ion concentrations favoring its treatment by Anammox bacteria. This ratio is for example 0.8 to 1.8, preferably 1.1 to 1.5 gN/gN.
  • the Anammox treatment step (b3) may not achieve a high ammonium ion removal rate, which would lead to a breakthrough of ammonium and nitrite ions at the treatment outlet, which must be converted to nitrates or even partially in N2 to comply with a strict discharge standard. It is then preferable to follow step (b3) of Anammox treatment with step (b2) of total electro-oxidation of at least part of the nitrates and/or nitrites and/or ammonium remaining as dinitrogen.
  • step (b3) the H2 gas produced at the cathode during the electrolysis of water which can occur during the electrolysis step.
  • the O2 gas produced at the anode during the electrolysis of water which can occur during the electro-oxidation step (b), and in particular during the partial electrooxidation steps (bl) of the ions ammoniums into nitrite/nitrite and/or total electro-oxidation (b2) of at least part of the nitrates and/or nitrites into dinitrogen can be recovered in order to be efficientlyzed, or reinjected into step (a3) of biological treatment for the elimination of carbonaceous matter to reduce the energy requirement when it is implemented partially or totally in oxic conditions.
  • treatment step (b) is followed by a treatment step (d) of the third effluent produced.
  • the treatment step (d) of the third effluent may comprise at least one treatment chosen from a treatment for eliminating materials in suspension, a treatment for the elimination of phosphorus compounds, a treatment for the elimination of micropollutants, a treatment for the elimination of microorganisms.
  • the treatment step of removing suspended matter can be a physical or physico-chemical treatment as described in step (a). It may for example be a decantation, filtration or flotation step with or without, preferably with, prior coagulation/flocculation.
  • the treatment step of eliminating phosphorus compounds can be a physical or physico-chemical treatment of the type previously described with the addition of a coagulant provided via a chemical reagent or by electrocoagulation with the aim of eliminating the phosphorus compounds.
  • the treatment step of eliminating micropollutants or microorganisms may comprise at least one treatment chosen from electrocoagulation, advanced oxidation such as ozonation or electro-oxidation or by injection of a strong oxidant (e.g. ferrate ), an adsorption step on activated carbon, disinfection for example using oxidants (e.g. chlorine, peracids), ultraviolet rays, peracids or chlorine.
  • a strong oxidant e.g. ferrate
  • an adsorption step on activated carbon disinfection for example using oxidants (e.g. chlorine, peracids), ultraviolet rays, peracids or chlorine.
  • the third effluent treatment step (d) is designed to further clean the water when it is discharged into a sensitive ecosystem or for reuse.
  • Treatment step (d) makes it possible to produce a fourth effluent having a nitrogen and carbon content, micropollutant and/or microorganisms meeting specifications set by the operator or the legislation, and which can be discharged into nature. or reused.
  • the treatment process may also include a step for controlling step (a) of wastewater treatment and step (b) of electro-oxidation treatment.
  • the control step makes it possible to control the quantity of first effluent entering the treatment step (b) and/or one of the steps (bl), (b2) (b3) of step (b).
  • the control step makes it possible to control the quantity of the effluent produced during the partial electro-oxidation step (bl) of the ammonium ions which can be recycled in step (a).
  • a quantity of nitrogen present in the third effluent or the fourth effluent and in at least one effluent to be extracted chosen from the first effluent of step (a) is first determined.
  • the effluent from the partial electro-oxidation step (bl) of ammonium ions and the effluent from step (b3) Anammox.
  • the quantity of nitrogen can be measured directly by a sensor measuring the quantity of ammonium ions and/or nitrates/nitrites.
  • the amount of nitrogen can also be measured indirectly by ammonia analyzers.
  • a quantity of the at least one effluent to be extracted to reach a limiting nitrogen content in the third effluent or the fourth effluent and extract said quantity of the at least one effluent to be extracted and mix it. to the third effluent or to the fourth effluent.
  • the quantity of nitrogen measured in the third or fourth effluent can be used to determine the quantity of the at least one effluent to be extracted so that combined with the third or fourth effluent, the total quantity of nitrogen of the latter does not exceed a limiting nitrogen content.
  • the authorized nitrogen content limit particularly ammonium ions, can be chosen according to the nitrogen discharge limits authorized by legislation.
  • a quantity of the effluent resulting from the electro-oxidation step -partial oxidation (bl) to be sent to the biological treatment step of step (a) is determined (i3).
  • This quantity can be determined by measurement with nitrate/nitrite/ammonia sensors or by analyzers. This quantity corresponds to a nitrite and/or nitrate content making it possible to eliminate the carbonaceous material from the wastewater entering said biological treatment step (a3).
  • This quantity of effluent is then sent to a biological treatment step (a3) of step (a), preferably, when this step is carried out in anoxic conditions. Recycling also makes it possible to reduce the energy required to be used during the second electro-oxidation step (b2).
  • the second effluent from treatment step (a) is treated by an anaerobic digestion step (c) producing biogas and a digestate.
  • Anaerobic digestion or methanization corresponds to a cascade of biochemical reactions allowing methanogenic bacteria to convert the organic matter present in a digester into biogas corresponding mainly to a mixture of carbon dioxide and methane.
  • the remaining materials are called digestate.
  • the conditions for implementing this step (c), in particular the temperature, pH and residence time, can advantageously be chosen in order to maximize the production of biogas.
  • the anaerobic digestion step (c) may also include, or be followed by, a liquid-solid separation step of the digestate making it possible to separate the digestate into a solid fraction and a liquid fraction.
  • This separation step can be a dehydration step of the digestate producing a solid fraction (dehydrated sludge) and a liquid fraction such as for example a centrifugation or filtration step.
  • at least one pretreatment step of the second effluent upstream of step (c) of anaerobic digestion can be implemented to increase its yield.
  • This pretreatment step can be chosen from a chemical, mechanical, biological and thermal pretreatment step.
  • the chemical pretreatment step can be acidic or basic hydrolysis or advanced oxidation.
  • the sludge can be heated to a temperature below 100°C.
  • the mechanical pretreatment step can be an ultrasonic, microwave or electrokinetic disintegration step.
  • the biological pretreatment step is for example a fermentation/hydrolysis step in mesophilic (30 - 42°C) or thermophilic (45 - 70°C) conditions with a residence time of around 1 to 3 days.
  • the thermal pretreatment step can be a thermal hydrolysis process (THP).
  • TTP thermal hydrolysis process
  • the thermal hydrolysis process (THP) is a process consisting of heating sludge to a temperature generally between 140°C and 180°C with a treatment time of 30 minutes to 60 minutes.
  • a post-treatment step can also be carried out at the outlet of step (c) of treatment by anaerobic digestion of the second effluent.
  • the digested sludge resulting from step (c) of anaerobic digestion contains a large quantity of non-biodegradable organic matter usable for the production of additional energy.
  • the post-treatment step is typically a hydrothermal carbonization (HTC) process. This process typically operates at temperatures between 180°C and 280°C for a period of several minutes to several hours in a non-oxidizing atmosphere.
  • the wet dewatered sludge is treated with pressurized steam and the process produces a solid carbon fraction and a liquid fraction.
  • the liquid fraction can be returned to step (c) of anaerobic digestion in order to increase biogas production.
  • step (c) of anaerobic digestion of the second effluent can be followed by an additional treatment step (e) of at least a part of the liquid fraction of the digestate produced by step (c). ) of digestion.
  • the effluent produced by the additional step (e) can then be returned to the process input stream to recycle the effluent. Recycling this flow makes it possible to optimize the process by treating the wastewater as much as possible and thus reducing the load contained in these returns.
  • the additional treatment step (e) can be chosen from a step (eO) of treatment by electrocoagulation, a step (el) of treatment by electro-oxidation, a step (e2) of biological treatment by oxidation of ammonium ions by anaerobic autotrophic bacteria (Anammox treatment) and the succession of these last two stages (el) (e2) preceded or not by stage (eO).
  • the solid fraction of biomass produced by this Anammox step (e2) can be returned as input to the digestion step (c).
  • the additional step (e) makes it possible to treat a liquid fraction rich in ammonium ions in order to reduce its nitrogen content so that it is redirected into the main water pipe at the inlet of step (a) or into step (a).
  • the step of treating the liquid fraction of additional step (e) is an electro-oxidation step which is a total oxidation of ammonium ions to dinitrogen.
  • electro-oxidation would also oxidize dissolved carbon and should not be affected by variations in the capture rate of the sludge pretreatment process.
  • the high temperature and the high nitrogen load also provide favorable conditions for the kinetics of electro-oxidation.
  • the step of treating the liquid fraction of additional step (e) is an electro-oxidation step followed by an Anammox treatment step.
  • the electro-oxidation step is an incomplete partial electro-oxidation step of ammonium ions to nitrates/nitrites.
  • This implementation leads to better and stable control of the NH4/NOx ratio as explained during the description of step (b).
  • the energy balance is also improved because only a part of the liquid fraction of the digestate undergoes electro-oxidation, which reduces the associated energy requirement.
  • the additional step (e) comprises a step (eO) of treatment by electrocoagulation comprising a first sub-step of precipitation of the phosphorus and the ammonium contained in the liquid fraction of the digestate in the form of struvite by the implementation electrocoagulation by sacrificial anode comprising magnesium, coupled with a sub-step for separating the struvite formed which may for example be filtration or decantation.
  • This step (eO) has the advantage of reducing the quantity of nitrogen to be oxidized by the subsequent steps, while producing a resource (struvite) with high agronomic added value (fertilizer), without the addition of an external chemical reagent because the Magnesium to provide for precipitation comes from electrocoagulation.
  • the installation 100 for treating wastewater containing nitrogen mainly in the form of ammonium ions and carbonaceous material comprises a first unit 110 for treating wastewater adapted to the implementation of step (a) of the process, a second unit 120 for treatment by electro-oxidation adapted to the implementation of step (b) of the process, and a third unit 130 for treatment by anaerobic digestion adapted to the implementation implementation of step (c) of the process.
  • the first wastewater treatment unit 110 is configured to be supplied by a supply pipe 1 for wastewater containing nitrogen partly in the form of ammonium ions and carbonaceous material and to produce a first effluent having a reduced carbonaceous material content discharged into a first discharge pipe 2 and a second effluent having an increased carbonaceous material content discharged into a second discharge pipe 3.
  • the first treatment unit 110 can be a physical treatment unit, physico -chemical or biological.
  • it may comprise one or more treatment reaction zones, chosen from a filtration reaction zone, a decantation reaction zone, a flotation reaction zone, a coagulation reaction zone, a zone flocculation reaction zone, an electrocoagulation reaction zone and a biological treatment reaction zone (with aeration for treatment in oxic conditions or without aeration for treatment in anoxic conditions).
  • one or more reaction zones could be provided in parallel and/or in series for the implementation of each physical (al), physico-chemical (a2) or biological (a3, a4) treatment step.
  • a reaction zone may include a reactor or a treatment enclosure.
  • the reaction zone can then include a separation system by decantation (clarifier) or by filtration.
  • the first unit 110 may comprise one or more biological treatment reaction zones, for example a single sequential reactor also called an SBR (Sequential Batch Reactor), a reactor with free cultures in suspension in continuous supply (activated sludge) or Biofilter reactor (reactor using thin and regularly renewed biological films) or several separate reactors, in particular with recirculation between them.
  • SBR Simple Batch Reactor
  • a reactor with free cultures in suspension in continuous supply activated sludge
  • Biofilter reactor reactor using thin and regularly renewed biological films
  • separate reactors allows continuous treatment of effluents.
  • the invention is not limited by the number of reactors used, in particular several reactors each operating according to aerated/non-aerated cycles can be provided, or several continuously fed reactors or successive reactors comprising SBRs and continuous feed reactors.
  • the first unit 110 when it contains an aerobic biological treatment reaction zone, will be sized so as not to carry out biological nitrification.
  • the second electro-oxidation treatment unit 120 is configured to be supplied with first effluent by a supply pipe 4 connected to the first evacuation pipe 2 of the first treatment unit 110 and to evacuate via an evacuation pipe 5 a third effluent having a reduced nitrogen content.
  • the second unit 120 comprises at least one electrooxidation reaction zone for carrying out the at least one electro-oxidation step.
  • the second processing unit 120 comprises one or more electro-oxidation reaction zones connected in series and/or in parallel.
  • the reaction zone(s) may in particular carry out total or partial oxidation.
  • the second unit 120 also lacks an aerobic biological treatment reaction zone.
  • the second unit 120 may also include a pipe 37 for evacuating dioxygen and a pipe 38 for evacuating dihydrogen from an electro-oxidation reaction zone.
  • the first discharge pipe 2 and the supply pipe 4 are also connected, here by a valve 30, to an optional bypass pipe 13 (bypass pipe).
  • the evacuation bypass pipe 13 is connected to the evacuation pipe 5 of the third effluent.
  • the third anaerobic digestion treatment unit 130 comprises a pipe supply line 6 connected to the second pipe 3 of the first treatment unit 110, a biogas discharge pipe 7 and a digestate discharge pipe 8.
  • the third unit 130 may comprise one or more anaerobic digestion reaction zones, in particular mounted in series and/or in parallel.
  • Figures 2 and 3 present alternative configurations of the installation, in particular for the implementation of step (a) of wastewater treatment.
  • Figures 2 and 3 respectively show a wastewater treatment installation 200 and 300 comprising a first wastewater treatment unit 110, a second electro-oxidation treatment unit 120 and a third anaerobic digestion treatment unit 130. These units 120 and 130 not being modified compared to Figure 1, the numbering remains the same for these units and the pipes concerned.
  • the first wastewater treatment unit 110 comprises a unit 111 for physical and/or physico-chemical treatment of wastewater capable of implementing steps al) or a2) + al) and a biological treatment unit 112 capable of carrying out step a3) of the process.
  • the biological treatment unit 112 comprises one or more reaction zones. If the biological treatment is carried out in free cultures, then the last reaction zone of the unit includes a biomass separation system such as a clarification enclosure, not shown in the figure.
  • the physical and/or physico-chemical treatment unit 111 is supplied via the wastewater supply pipe 1 and comprises an evacuation pipe 9 for part of the second effluent and an evacuation pipe 11 for the effluent produced.
  • the biological treatment unit 112 comprises a supply pipe 12 connected to the discharge pipe 11 of the unit 111. It is also connected to the first discharge pipe 2 of the first effluent and comprises a second discharge pipe evacuation 3 of part of the second effluent.
  • the first evacuation pipe 2 is connected to the supply pipe 4 of the second unit 120 and optionally to a bypass pipe 13, as described with reference to Figure 1.
  • the unit 112 can receive the dioxygen circulating in pipe 37 described with reference to Figure 1.
  • Figure 3 differs from Figure 2 by the addition of an intermediate unit 113 between units 111 and 112 capable of implementing step a4) of the process by means of one or more biological treatment reaction zones.
  • Unit 113 is an anaerobic biological treatment unit comprising a supply line 15 connected to the discharge line 11 of the unit 111 and a discharge line 16 connected to the supply line 12 of the unit 112
  • the unit 112 also includes a sludge recirculation pipe 34 connected to the anaerobic biological treatment unit 113. Recirculation line 34 is only present if the biological treatments of units 112 and 113 are carried out in free cultures.
  • Figures 4 and 5 present alternative configurations of the installation, in particular for the implementation of step (b) of treatment by electro-oxidation.
  • Figures 4 and 5 show an installation 400 and 500 respectively for wastewater treatment comprising a first wastewater treatment unit 110, a second electro-oxidation treatment unit 120 and a third anaerobic digestion treatment unit 130. These units 110 and 130 not being modified compared to Figure 1, the numbering remains the same for these units and the pipes concerned.
  • the second electro-oxidation treatment unit 120 comprises a unit 121 for partial electro-oxidation treatment of ammonium ions into nitrate/nitrite ions capable of implementing step b1) of the process and a unit 122 for treating total electro-oxidation of nitrate/nitrite ions into dinitrogen capable of implementing step b2) of the process.
  • Each unit 121, 122 comprises one or more electro-oxidation reaction zones.
  • the partial electro-oxidation treatment unit 121 is supplied with first effluent via the supply pipe 4 connected to the discharge pipe 2 of the unit 110, and comprises an effluent discharge pipe 17 output from step b1).
  • the evacuation pipe 17 is connected, here by a valve 30, 32, to at least one pipe, here three pipes: a supply pipe 18 of the unit 122, an optional recirculation pipe 20 of part of the the effluent produced upstream of the unit 110 and a bypass pipe 19 for part of the effluent produced.
  • the bypass pipe 19 is connected to the bypass pipe 13 and to the evacuation pipe 5 of the third effluent.
  • the optional recirculation pipe 20 preferentially returns the effluent produced upstream of the treatment unit 112 implementing step a3) of the first treatment unit 110 (not shown in Figure 4).
  • the total electro-oxidation treatment unit 122 comprises a supply pipe 18 connected to the discharge pipe 17 of the unit 121 and the third effluent that it produces leaves via the discharge pipe 5.
  • Figure 5 differs from Figure 4 by the addition of an intermediate unit 123 located between units 121 and 122 and capable of implementing step (b3) of the process.
  • Unit 123 includes one or more non-aerated biological treatment reaction zones.
  • Unit 123 is an Anammox treatment unit and includes a supply line 21 connected to the discharge line 17 of unit 121 and a discharge line 22 connected to the supply line 18 of unit 122 and to the bypass pipe 19.
  • the supply pipe 21 of the unit 123 is also connected to a by-pass pipe 33 of a part of the first effluent coming from the evacuation pipe 2 of the unit 110 .
  • the installation shown in Figure 5 has a fourth optional unit 124 capable of implementing the treatment step (d) of the third effluent.
  • the treatment unit 124 comprises a supply pipe 23 connected to the evacuation pipe 5 of the unit 122 and an evacuation pipe 24 of the fourth effluent.
  • the fourth unit may comprise one or more treatment reaction zones connected in series and/or in parallel.
  • Figure 6 shows an alternative configuration of the treatment installation, in particular downstream of the anaerobic digestion unit.
  • Figure 6 shows an installation 600 wastewater treatment unit comprising a first wastewater treatment unit 110, a second electro-oxidation treatment unit 120 and a third anaerobic digestion treatment unit 130.
  • These units 110, 120 and 130 not being modified compared to Figure 1, the numbering remains the same for these units and the pipes concerned, except for unit 130 which here includes an evacuation pipe 8 'of a liquid fraction of the digestate produced.
  • the installation comprises a fifth unit 131 capable of implementing the additional step e) of the process.
  • the fifth unit 131 comprises an optional electrocoagulation treatment unit 132 capable of carrying out step eO), an electro-oxidation treatment unit 133 capable of carrying out step el) and an optional Anammox treatment unit 134 capable of carrying out step e2).
  • Each unit may include one or more appropriate treatment reaction zones connected in series and/or parallel.
  • Unit 132 includes a supply pipe 25 connected to the discharge pipe 8' of unit 130 and a discharge pipe 26 for the effluent produced.
  • the third unit 130 comprises a liquid-solid separation system (not shown) making it possible to separate the digestate into a solid fraction and a liquid fraction.
  • the liquid fraction is then evacuated via the evacuation pipe 8’.
  • this liquid-solid separation system could be external to the third unit 130 and located between it and the fifth unit 131.
  • Unit 133 comprises a supply pipe 27 connected to the discharge pipe 26 of unit 132 and a discharge pipe 28 for the effluent produced.
  • the unit 134 comprises a supply pipe 35 connected to the discharge pipe 28 of the unit 132 and a discharge pipe 36 for the produced effluent sending this effluent into the wastewater supply pipe 1.
  • the treatment installations 100, 200, 300, 400, 500, 600 previously described may also include a process control system for implementing steps (il), (i2) and (i3) of the control step.
  • the control system comprises at least one device 29 for determining a content of ammonium and/or nitrate and/or nitrite ions, at least one fluid displacement device 30 and a control unit 31.
  • the control unit 31 is configured to implement:
  • step (i2) from the quantities determined in step (il) and by controlling the at least one fluid displacement device 30,
  • step (i3) from the quantities determined in step (il) and by controlling the at least one fluid displacement device 30.
  • the at least one determination device 29 may be one or more sensors for the nitrogen content of the effluents.
  • the at least one device 29 can be installed at the level of the evacuation pipe 5 of the third effluent or the evacuation pipe 24 of the fourth effluent and at the level of at least one pipe chosen from the first evacuation pipe 2 of the first effluent having a reduced carbonaceous material content, the evacuation pipe 17 of the effluent leaving the electro-step partial oxidation and optionally of the evacuation pipe 22 of part of the effluent produced by the Anammox step b3).
  • the quantities measured by the at least one determination device 29 are sent to the control unit 31 which will calculate the quantity of fluid to be extracted through the bypass pipes and control the movement of this quantity.
  • the control unit 31 may include a computer, or more generally at least one processor or any other type of digital calculator.
  • the control unit 31 can also include a plurality of separate digital processors or computers, forming different means of the device, cooperating with each other.
  • the at least one fluid displacement device 30 may comprise one or more valves, for example a three or four-way valve whose third way leads to the bypass pipe 13 and optionally to the bypass pipe 19.
  • the at least one a device 30 can also include one or more positive displacement pumps (or any pump associated with a frequency variator and a flow meter to adjust the flow rate) capable of taking a calculated quantity of fluid to be extracted.
  • the bypass pipes connected to the valves also form displacement devices within the meaning of the invention.
  • the control system comprises a device 29 for determining a content of ammonium and/or nitrate ions and/or nitrites, a fluid displacement device 32 and the control unit 31.
  • the determination device 29 can be a sensor for the nitrogen content of the effluents. It is installed here at the level of the evacuation pipe 17 of the effluent leaving the partial electro-oxidation treatment unit 121.
  • the measured quantity is sent to the control unit 31 which will calculate the quantity of fluid to be recycled corresponding to a nitrate and/or nitrite content necessary for an anoxic biological treatment to eliminate carbonaceous material.
  • the control unit 31 also controls the movement of the quantity of fluid to be recycled.
  • the fluid displacement device 32 can be a three-way or four-way valve, one of the paths of which leads to the recirculation line 20.
  • the device 32 can also be a positive displacement pump (or any pump associated with a frequency variator and a flow meter) capable of taking the calculated quantity to be recycled.

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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).

Description

Description
Procédé de traitement d’eaux usées avec maximisation de la production de biogaz comprenant une étape d’électro-oxydation
Domaine de l’invention
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.
Etat de la technique
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 NH4 ou NH4+, en :
• azote nitreux, aussi connu comme nitrite, NO2 ou NO2 ",
• puis azote nitrique, aussi connu comme nitrate, NO3 ou NOs’.
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 dénitrifïer.
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 dia- zote : 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.
Résumé de l’invention
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.
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 peut comprendre au moins une étape de traitement de la matière carbonée choisie parmi une étape de traitement physique (al), op- tionnellement 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 peut être choisie parmi une étape de décantation, une étape de flottation et une étape de filtration, et l’étape de traitement physico-chimique peut être 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) peut comprendre 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) peut comprendre une étape d’électro -oxydation partielle (bl) 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’électrooxydation partielle (bl) peut être 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 (bl) 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 (bl) 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 (bl) 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 (bl) 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 (bl) 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 (bl) 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), (bl) ou (b2), une électrolyse d’eau présente dans l’effluent peut se produire 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 :
(11) 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,
(12) 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
(13) on détermine une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) 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 (il) (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 (il) (i3) permet d’optimiser la recirculation de l’effluent produit par l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) 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 (il) 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 (il) (i3) permet également 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 (il) (i2) et (il) (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 (eO) de traitement par électrocoagulation, une étape de traitement par électro-oxydation (el) 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 auto- trophes anaérobies (étape Anammox) et la succession des deux étapes (el) (e2) précédées ou non de l’étape (eO).
Avantageusement, l’étape (eO) 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 efïluent 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
- 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 sortant de (notamment 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.
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 une conduite d’évacuation d’une fraction liquide d’un digestat de la troisième unité et une conduite d’évacuation d’un effluent, optionnellement raccordée 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.
Définitions/abréviations
Anammox : ANaerobic AMMOnium OXidation (Oxydation anaérobie de l’ammonium) Lors de cette réaction, en condition anoxie (en absence d’oxygène), rammonium 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 O2 libre 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’Ch (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 clarifïcateur (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.
Description des figures
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 : [Fig. 1] La Figure 1 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un mode de réalisation l’invention.
[Fig. 2] La Figure 2 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un premier mode de réalisation alternatif de l’invention.
[Fig. 3] La Figure 3 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un deuxième mode de réalisation alternatif de l’invention.
[Fig. 4] La Figure 4 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un troisième mode de réalisation alternatif de l’invention.
[Fig. 5] La Figure 5 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un quatrième mode de réalisation alternatif de l’invention.
[Fig. 6] La Figure 6 est une représentation schématique de l’installation de traitement selon un cinquième mode de réalisation alternatif de l’invention.
Description détaillée de l’invention
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 (al) 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 (al) 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 (al) est d’éliminer les particules solides. L’étape (al) 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/ou 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 (al) 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 flo- culer, et d’accélérer le procédé, ce qui permettra de réduire la taille des installations. Préférentiellement l’étape (al) 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 bio filtre 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 mé- thanogène 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 clarifïcateur. 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 (al) 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 (al) 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 (al) de traitement physique ou de l’étape (a2) de traitement physico -chimique.
Les boues issues des différentes étapes (al), (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 (al) 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 (al) 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 (al) 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 (al), (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 (HC1O), 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 N2 a lieu à la cathode. Alternativement, les ions ammonium peuvent être directement oxydés en N2 à 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. Cette électrolyse peut se produire que l’électro-oxydation soit partielle ou totale.
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’élec- tro-oxydation totale d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote, option- nellement 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 (bl) d’une partie au moins des ions ammoniums en nitrates et/ou nitrites.
En sortie de cette étape d’électro-oxydation partielle (bl) 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 (bl) 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 (bl) 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 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 (bl) 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 (bl) des ions ammoniums en nitrates/nitrites. En sortie de l’étape d’oxydation partielle (bl), seule une partie des ions ammoniums ont été oxydés. L’étape (b3) de traitement Anammox met enjeu des bactéries autotrophes anaérobies qui consomment des ions ammonium et des nitrites pour produire du N2 sans 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 (bl). La combinaison des étapes (bl) et (b3) permet de réduire la consommation d’énergie globale d’élimination de l’azote, notamment, l’étape optionnelle d’électro-oxydation totale (b2) des nitrates/nitrites située en aval n’ayant alors pas à oxyder tous les ions ammoniums non traités par l’étape (bl) et tous les ions nitrates/nitrites formés par l’étape (bl).
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 (bl) 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 N2 pour 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, quel que soit le mode de réalisation de l’invention et notamment de l’étape (b), le gaz H2 produit à la cathode lors de l’électrolyse de l’eau pouvant se produire lors de l’étape d’électro-oxydation (b), et notamment lors des étapes d’électrooxydation partielle (bl) 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 O2 produit à l’anode lors de l’électrolyse de l’eau pouvant se produire lors de l’étape d’électro-oxydation (b), et notamment lors des étapes d’électrooxydation partielle (bl) 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 (bl), (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 (bl) des ions ammoniums qui peut être recyclée dans l’étape (a).
Lors de l’étape de contrôle, on détermine d’abord (il) 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 (bl) 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 (bl) des ions ammoniums, une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) 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) de la fraction liquide du digestat produit par l’é
Dans un mode de réalisation, 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 (eO) de traitement par électrocoagulation, une étape (el) 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 (el) (e2) précédées ou non de l’étape (eO). 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 (eO) 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 (eO) 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 figure 1, 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 (al), 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 figure 1, 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’électrooxydation pour la mise en œuvre de l’au moins une étape d’électro-oxydation. Dans l’exemple de la figure 1, 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 diges- tat. 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 figure 1, les numérotations restent les mêmes pour ces unités et les conduites concernées.
En référence à la figure 2, 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 al) ou a2) + al) 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 figure 1. Enfin, l’unité 112 peut recevoir le dioxygène circulant dans la conduite 37 décrite en référence à la figure 1.
La figure 3 diffère de la figure 2 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 figure 1, les numérotations restent les mêmes pour ces unités et les conduites concernées.
En référence à la figure 4, 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 bl) 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 bl). 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 figure 4). 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 figure 5 diffère de la figure 4 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 figure 5 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 figure 6 présente une configuration alternative de l’installation de traitement, notamment en aval de l’unité de digestion anaérobie. La figure 6 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 figure 1 , 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 figure 6, 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 eO), une unité de traitement 133 par électro-oxydation apte à réaliser l’étape el) 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 (il), (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 (il) 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 (il) et en commandant l’au moins un dispositif de déplacement 30 de fluide,
- l’étape (i3) à partir des quantités déterminées à l’étape (il) 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 débit- mètre 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

Revendications ) 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 (al) 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 (al) 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 physicochimique 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 (bl) 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 (bl) dans laquelle une partie 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, ou
(ii) l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) dans laquelle au moins une partie des ions ammoniums sont oxydés en nitrates et/ou nitrites, suivie d’une étape d’électrooxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote, ou (iii) l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) dans laquelle une partie 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 puis d’une étape d’électro-oxydation totale (b2) d’au moins une partie des nitrates et/ou nitrites en diazote.
7) 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 (bl) 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).
8) Procédé de traitement des eaux usées selon l’une quelconque des revendications 1 à
7, caractérisé en ce que lors de l’étape d’électro-oxydation (b), (bl) ou (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).
9) 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.
10) 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 :
(11) 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 (bl) 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
(12) 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
(13) on détermine une quantité de l’effluent issu de l’étape d’électro-oxydation partielle (bl) 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 (eO) de traitement par électrocoagulation, une étape de traitement par électro-oxydation (el) 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 (el) (e2) précédées ou non de l’étape (eO). ) Procédé de traitement des eaux usées selon la revendication 11, caractérisé en ce que l’étape (eO) 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 microorganismes,
- 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 (36) d’un effluent, optionnellement raccordée 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 électrooxydation 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 (HO).
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