Brevet FR2941692A1 — publié le 20100806

PROCEDE DE TRAITEMENT BIOLOGIQUE D'UN EFFLUENT BRUT, EN PARTICULIER D'EAUX RESIDUAIRES, ET INSTALLATION DE TRAITEMENT METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE. L'invention est relative à un procédé de traitement biologique d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires, selon lequel l'effluent brut est soumis à une première étape de traitement en milieu réducteur suivie d'une deuxième étape de traitement en milieu oxydant, avec une boucle de recirculation du mélange boueux (effluent traité avec la biomasse) entre les deux étapes de traitement, ce procédé mettant en oeuvre deux réacteurs séparés correspondant à chacune des deux étapes de traitement, avec une biomasse interstitielle qui passe d'une étape à l'autre, et subit des alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction des mélanges boueux. Un procédé de traitement de ce type est connu, notamment d'après EP 1 486 465. Un tel procédé permet de limiter la production de biomasse grâce à un contrôle de la croissance bactérienne. Les alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction introduisent un déséquilibre physiologique dans les processus biologiques, ce qui limite les réactions de phosphorylation oxydatives et vise ainsi à empêcher un stockage d'énergie dans les bactéries sous forme ATP (adénosine triphosphate), principalement responsable de la croissance bactérienne. La production d'ATP est réalisée par un couplage entre deux réactions biochimiques ; dans la première réaction, l'énergie libérée au cours de la réaction d'oxydation est provisoirement conservée dans une liaison à haut potentiel d'hydrolyse faisant intervenir un groupement phosphate. Une deuxième réaction de transfert dudit groupement phosphate sur une molécule d'ADP (adénosine diphosphate) permet classiquement la production d'ATP responsable de la croissance bactérienne et de la production de boues organiques. Cette deuxième réaction est empêchée par les alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction. Ce procédé connu apporte une première réponse à la question : comment réduire le volume des boues générées tout en respectant les normes de rejet. En effet, les boues provenant de stations de traitement d'eaux résiduaires, notamment d'eaux industrielles, sont et seront de plus en plus problématiques. D'une part, l'augmentation du traitement des effluents imposée par la réglementation est responsable de l'augmentation de la quantité totale de boues générées et, d'autre part, la disparition et la saturation de certains exutoires comme la valorisation agricole créent un manque à gagner important auquel les industriels et les collectivités devront faire face dans les années à venir. Les limites du procédé connu résident dans une réduction incomplète de la production des boues organiques puisqu'elle se situe entre 40 % et 80 %, avec une limitation du rendement d'élimination de la DCO et DBO5 soluble qui se situe entre 60 % et 80 %, et une mise en oeuvre qui nécessite des volumes de réacteur significatifs. io L'invention a pour but, surtout : d'assurer la réduction de la production de boues organiques jusqu'au voisinage de 100 % ; d'améliorer les rendements d'élimination de la DCO et DBO5 soluble pour obtenir jusqu'à 95 % de rendement ; et de réduire les volumes de réacteur à mettre en oeuvre d'au moins 20 %. 15 Selon l'invention, le procédé de traitement biologique d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires, du genre défini précédemment est caractérisé en ce qu'il met en oeuvre, en plus de la biomasse interstitielle, un deuxième type de biomasse, à savoir une biomasse fixée pour la deuxième étape de traitement, cette biomasse fixée étant protégée contre les alternances 20 de potentiel d'oxydoréduction, ce qui permet un traitement efficace de la DCO et DBO5 dans la deuxième étape, tandis que la biomasse interstitielle se spécialise pour assurer la première réaction biochimique conduisant à une liaison à haut potentiel d'hydrolyse, hydrolyse efficace pendant la première étape de traitement. 25 Pour la deuxième étape de traitement, la biomasse est avantageusement fixée sur des supports mobiles qui sont retenus dans la deuxième étape de traitement, malgré la recirculation du mélange boueux. L'effluent issu du dispositif, peut être soumis à un traitement physico-chimique ou biologique de finition, en particulier par boues activées, après avoir 30 subi les deux étapes de traitement. Une fraction de l'effluent brut peut être dérivée en amont de la première étape de traitement, et être envoyée directement au traitement de finition. Une partie du mélange boueux (effluent traité avec la biomasse) peut être recirculée vers la première étape de traitement et/ou une autre partie du 35 mélange boueux est dirigée vers le traitement de finition. L'invention est également relative à une installation de traitement biologique d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires, pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini précédemment, cette installation comportant un premier réacteur dans lequel l'effluent brut est soumis à une première étape de traitement en milieu réducteur, suivi d'un deuxième réacteur pour une deuxième étape de traitement en milieu oxydant, avec une boucle de recirculation du mélange boueux entre les deux réacteurs, avec une biomasse interstitielle qui passe d'un réacteur à l'autre et subit des alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction des mélanges boueux, caractérisée en ce que le deuxième réacteur comporte des moyens de support pour une biomasse fixée, qui demeure dans le deuxième réacteur pour un traitement efficace de la DCO et DBO5, tandis que la biomasse interstitielle se spécialise io pour assurer une hydrolyse efficace dans le premier réacteur. Les moyens de support de la biomasse fixée sont avantageusement formés par des supports mobiles, et le deuxième réacteur comporte des moyens de retenue pour maintenir les supports mobiles dans ce deuxième réacteur. De préférence, les moyens de retenue des supports comprennent au 15 moins une grille disposée à la sortie du mélange boueux et dont les mailles ont une dimension inférieure à la plus faible dimension des supports L'installation peut comporter un bassin pour un traitement de finition de l'effluent, en particulier par boues activées comprenant un bassin d'aération et un séparateur (clarificateur, flottateur, membranes...), après passage dans 20 les deux réacteurs. Avantageusement, une conduite est branchée en amont du premier réacteur sur la conduite d'arrivée de l'effluent brut, et est reliée au bassin pour le traitement de finition en étant équipée d'une vanne de contrôle, de sorte qu'une fraction de l'effluent brut peut être dérivée et envoyée au traitement de 25 finition. Une conduite équipée d'une pompe peut être branchée sur une conduite de sortie du mélange boueux et se divise en au moins deux branches reliées respectivement au premier réacteur et au bassin du traitement de finition, de sorte qu'une partie du mélange boueux peut être recirculée vers la 30 première étape de traitement et une autre partie peut être recirculée vers le traitement de finition. Les moyens de support de la biomasse fixée peuvent être formés par des supports mobiles, et le deuxième réacteur comporte des moyens de retenue, en particulier au moins une grille prévue à la sortie du mélange boueux 35 recirculé du deuxième réacteur, pour retenir les supports mobiles dans ce deuxième réacteur. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence au dessin annexé, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ce dessin : Fig. 1 est un schéma simplifié d'une installation de traitement mettant 5 en oeuvre le procédé de l'invention, et Fig. 2 est un schéma d'une variante de réalisation de l'installation selon l'invention. En se reportant à Fig. 1 du dessin, on peut voir une installation de traitement d'un effluent brut EB qui arrive, par une conduite 1, dans un premier io réacteur 2 pour y subir un traitement en milieu réducteur. Le réacteur 2 comporte au moins un dispositif de brassage 3 de la liqueur contenue par ce réacteur. La partie supérieure du réacteur 2 peut être munie d'un couvercle 4. Une pompe 5 assure le transfert de l'effluent du réacteur 2 vers un deuxième réacteur 6. Une conduite 7 plongeant dans le réacteur 2 est reliée à l'aspiration 15 de la pompe 5 tandis qu'une conduite 8, plongeant dans le réacteur 6, est reliée au refoulement de la pompe 5. Le deuxième réacteur 6 est prévu pour assurer un traitement aéré de l'effluent, par boues activées. Des moyens d'aération 9, généralement constitués par des rampes pour insuffler de l'air ou de l'oxygène, sont prévus 20 dans le fond du réacteur 6. L'agitation dans le réacteur peut être assurée par les bulles de gaz délivrées par les moyens d'aération 9, etlou par des moyens d'agitation mécanique non représentés, qui prennent en compte le maintien de l'intégrité de supports 11 décrits plus loin. Une partie du mélange boueux provenant du deuxième réacteur 6 25 est recirculée gravitairement vers le premier réacteur 2 par une conduite 10 reliant une rigole prévue en partie supérieure du réacteur 6 et la partie inférieure du réacteur 2. Le passage d'une partie du mélange boueux du premier réacteur 2 au deuxième réacteur 6, puis du deuxième réacteur 6 au premier réacteur 2 fait 30 subir à une biomasse interstitielle, entraînée par le mélange boueux recirculé, des alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction des mélanges boueux, ce qui freine la croissance bactérienne et la production de boues organiques. Le taux d'alternances est généralement compris entre 0,01 et 1 fois par heure et peut atteindre plusieurs fois par heure. 35 Pour diminuer encore plus la production de boues organiques, selon l'invention, le deuxième réacteur 6 comporte des supports 11 pour une biomasse fixée qui demeure dans le deuxième réacteur 6. Ce réacteur 6 travaille de préférence en forte charge. Les supports 11 sont avantageusement des supports mobiles. Le matériau support formé par l'ensemble des supports mobiles 11 peut occuper environ 15 % à 80 % du volume du réacteur 6. Chaque support 11 est suffisamment gros, c'est-à-dire qu'il présente une grande dimension d'environ 0,25 cm au moins. Les supports 11 peuvent être réalisés sous forme d'anneaux, de tubes, de sphères, de tonneaux, de selles, de chips (ou copeaux), de pompons,... en matière plastique de densité légèrement inférieure ou supérieure à celle de l'eau, conçus pour permettre une colonisation io suffisamment durable et stable. Les supports peuvent avantageusement être réalisés en matière synthétique comme par exemple polypropylène, polyéthylène, polyuréthane, PVC etc. Un apport de charge minérale peut conduire, en fonction de la demande, à un support de densité inférieure ou supérieure à celle du mélange 15 boueux . D'autres types de support peuvent être réalisés à partir de l'argile, la zéolite , la bentonite , la perlite , la vermiculite , les silicates, etc. De tels supports sont montrés à titre d'exemple, notamment, aux pages 947-950 du Mémento Technique de l'Eau, 10ème édition, Tome 2, Degrémont Suez. Au moins une grille 12 est prévue sur la sortie du réacteur 6, 20 en direction de la conduite 10, pour retenir dans le réacteur 6 les supports 11, les mailles de la grille 12 ayant des dimensions suffisamment faibles pour empêcher le passage des supports 11. Une autre partie du mélange boueux sort du réacteur 6 à travers une autre grille 12a qui retient les supports 11 dans le réacteur 6. Cette partie du 25 mélange boueux est dirigée, par une conduite 13 munie d'une vanne de contrôle 14, vers un bassin 15 de traitement de finition, notamment clarification, ou flottation ou membrane. L'eau traitée ET, récupérée en partie haute du bassin 15 (cas de la clarification et de la flottation), est évacuée par une conduite 16. Une fraction des boues recueillies en partie basse du bassin 15 est 30 recyclée par une conduite 17a, équipée d'une pompe, en partie inférieure du premier réacteur 2. L'autre fraction est dirigée par la conduite 17b vers la déshydratation. Une variante ne met en oeuvre qu'une seule grille 12/12a par laquelle transite tout le mélange boueux. 35 L'installation de Fig. 1 met en oeuvre le procédé de traitement selon l'invention, en faisant intervenir deux types de biomasse : - une biomasse fixée sur les supports 11, qui reste dans le deuxième réacteur aéré 6, - et une biomasse interstitielle libre qui circule du réacteur en milieu réduit 2 au réacteur en milieu oxydant 6, et inversement, et qui subit les alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction, différent d'un réacteur à l'autre. La biomasse fixée sur les supports 11 n'est pas stressée par des changements de potentiel d'oxydoréduction. La biomasse interstitielle libre est stressée par les alternances de potentiel d'oxydoréduction. L'invention permet ainsi le développement et la concentration des io bactéries spécifiques des réactions biochimiques. Les bactéries libres de la biomasse interstitielle se spécialisent dans une première réaction d'oxydoréduction conduisant à des liaisons à haut potentiel d'hydrolyse (NADH = forme réduite de la nicotinamide adénine dinucléotique) et assurent une hydrolyse importante des boues. On obtient une 15 optimisation des réactions d'hydrolyse grâce à l'augmentation de l'activité bactérienne dédiée à la première réaction d'oxydoréduction. L'invention permet d'éviter le stress biologique de la biomasse fixée qui ne subit pas les alternances du potentiel d'oxydoréduction puisque cette biomasse fixée reste continuellement, avec le matériau support, dans le même 20 réacteur qui est aéré. Ceci confère aux bactéries fixées une activité optimale sur la dégradation de la pollution résiduelle sous forme principalement de DCO et DBO5. La spécialisation des biomasses libres et fixées, permise par l'invention, conduit à une forte activité biologique avec une réduction jusqu'à 25 100 % des boues organiques, un rendement d'élimination de la pollution résiduelle jusqu'à 95 % et une réduction des volumes de réacteur de l'ordre de 25 %. Fig. 2 est un schéma d'une variante de réalisation d'installation selon l'invention. Un traitement complémentaire de finition par boues activées permet 30 si nécessaire l'élimination de l'azote par nitrification /dénitrification et le traitement du phosphore si nécessaire. Une décantation ou flottation ou des membranes permettent la séparation des boues et de l'eau traitée. Les éléments identiques ou jouant des rôles analogues à des éléments déjà décrits à propos de Fig. 1 sont désignés par les mêmes références numériques sans 35 que leur description soit reprise. Le couvercle 4 fermant la partie supérieure du réacteur 2 est traversé par une conduite 18 de prélèvement de gaz pour le diriger vers une installation de désodorisation. Une conduite 19 de dérivation, munie d'une vanne 20 de contrôle du débit, est branchée sur la conduite 1 de l'effluent brut en amont du premier réacteur 2. La conduite 19 est reliée, à son autre extrémité, au bassin 30 de traitement de finition. La fraction dérivée par la conduite 19 peut atteindre par exemple 15 à 20 % du débit d'effluent arrivant par la conduite 1. Cette fraction dérivée de l'effluent brut permet de nourrir les bactéries du bassin 30 dans le cas où le traitement assuré par les réacteurs 2 et 6 fonctionnerait particulièrement bien. Une autre conduite de dérivation 21 est branchée en aval de la io pompe 5 sur la conduite 8, en amont du deuxième réacteur 6. La conduite 21 est équipée d'une vanne 22 de contrôle du débit. La conduite 21 débouche, à son extrémité 23, au-dessus du bassin 30 pour y déverser une partie dérivée. Une conduite 32 est reliée à un séparateur 31, qui peut être un clarificateur, un flottateur ou des membranes ; l'eau traitée ET est évacuée par 15 la conduite 16. Une conduite 24 collecte les boues concentrées du séparateur 31. Cette conduite 24 est reliée à l'aspiration d'une pompe 25 qui débite dans une conduite 26a, laquelle se divise en trois branches 27, 28 et 29. La branche 27 débouche dans le fond du premier réacteur 2, la branche 29 débouche dans le 20 bassin 6 tandis que la branche 28 débouche dans le fond du bassin 30. Une recirculation des boues est ainsi assurée vers les réacteurs 2 et 6 et vers le bassin 30. L'autre fraction des boues concentrées est dirigée par la conduite 26b vers la déshydratation. En désignant par D le débit d'effluent brut arrivant par la canalisation 25 1, le débit réglé dans la canalisation 21 est égal à D plus le débit de recirculation passant par la branche 27 et la branche 29, tandis que le débit d'effluent recirculé par la canalisation 8 peut être de l'ordre de 0,01 D à 20 D. A titre d'exemple non limitatif, D peut être de l'ordre de 50 m3/h, tandis que le débit dans la conduite 8 peut atteindre 1000 m3/h, ce débit étant également 3o celui traversant la conduite 10 augmenté du débit de la branche 29 . Le traitement de finition dans le bassin 30 est généralement un traitement par boues activées. Lorsqu'un traitement de finition n'est pas nécessaire, l'effluent traité sort directement du deuxième réacteur 6. L'invention s'applique au traitement de toutes les eaux résiduaires. 35 Des essais ont été conduits sur des unités pilotes et ont donné les résultats qui suivent. Essai n° 1. La période d'essai a duré trois mois et demi, en faisant fonctionner en parallèle une ligne de référence selon une installation classique (correspondant à une technique antérieure à EP 1 486 465), et une ligne suivant l'invention. Le mode de fonctionnement était le suivant : - alimentation continue de l'effluent à traiter selon un débit de 5 à 10 L/h ; 5 - aération par air surpressé; - recyclage assuré par des pompes péristaltiques. Ligne de référence installation classique : Production de boues biologiques : 0,415 kgMES/kgDBO5 éliminée. io ( MES = matières en suspension) Ligne suivant l'invention Production de boues biologiques : 0,001 à 0,02 kgMES/kgDBO5 éliminée II apparaît ainsi que la réduction de la production de boues biologiques est de 15 l'ordre de 95 % à 99,7 %. Les caractéristiques de l'eau traitée finale sont les suivantes : pH DCO DBO5 MES mg/L mg/L mg/L 7,5 à 8 50 à 85 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement biologique d'un effluent brut, en particulier d'eaux résiduaires, selon lequel l'effluent brut est soumis à une première étape de traitement en milieu réducteur suivie d'une deuxième étape de traitement en milieu oxydant, avec une boucle de recirculation du mélange boueux entre les deux étapes, ce procédé mettant en oeuvre deux réacteurs séparés (2,6) correspondant à chacune des deux étapes de traitement, avec une biomasse interstitielle qui passe d'une étape à l'autre, et subit des alternances rapides et lo fréquentes du potentiel d'oxydoréduction des mélanges boueux, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre, en plus de la biomasse interstitielle, un deuxième type de biomasse, à savoir une biomasse fixée pour la deuxième étape de traitement, cette biomasse fixée étant protégée contre les alternances de potentiel d'oxydoréduction, ce qui permet un traitement efficace de la DCO et 15 DBO5 dans la deuxième étape, tandis que la biomasse interstitielle se spécialise pour assurer la première réaction biochimique conduisant à une liaison à haut potentiel d'hydrolyse, hydrolyse efficace pendant la première étape de traitement. 20 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la deuxième étape de traitement, la biomasse est fixée sur des supports mobiles (11) qui sont retenus dans la deuxième étape de traitement, malgré la recirculation d'une partie du mélange boueux. 25 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'effluent en sortie du deuxième réacteur (6) est soumis à un traitement physico-chimique ou biologique de finition, en particulier par boues activées, après avoir subi les deux étapes de traitement. 30 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une fraction de l'effluent brut est dérivée en amont de la première étape de traitement, et est envoyée au traitement de finition. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'une partie du 35 mélange boueux est recirculée vers la première étape de traitement et/ou une autre partie est recirculée vers le traitement de finition. 6. Installation de traitement biologique d'un effluent brut, en particulier d'eauxrésiduaires, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 1, cette installation comportant un premier réacteur (2) dans lequel l'effluent brut est soumis à une première étape de traitement en milieu réducteur, suivi d'un deuxième réacteur (6) pour une deuxième étape de traitement en milieu oxydant, avec recirculation (10) d'une partie du mélange boueux du deuxième réacteur vers le premier, avec une biomasse interstitielle qui passe d'un réacteur à l'autre et subit des alternances rapides et fréquentes du potentiel d'oxydoréduction des mélanges boueux, caractérisée en ce que le deuxième réacteur (6) comporte des moyens de support (11) pour une biomasse fixée, qui demeure dans le deuxième réacteur pour un traitement efficace de la DCO et DBO5, tandis que la biomasse interstitielle se spécialise pour assurer une hydrolyse efficace dans le premier réacteur. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de support de la biomasse fixée sont formés par des supports mobiles (11), et le deuxième réacteur comporte des moyens de retenue (12, 12a), pour maintenir les supports mobiles dans ce deuxième réacteur. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de retenue des supports (Il) comprennent au moins une grille (12, 12a) disposée à la sortie du mélange boueux et dont les mailles ont une dimension inférieure à la plus faible dimension des supports 9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un bassin (15, 30) pour un traitement physico-chimique ou biologique de finition, en particulier par boues activées, après passage dans les deux réacteurs (2, 6). 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une conduite (19) est branchée en amont du premier réacteur (2) sur la conduite (1) d'arrivée de l'effluent brut, et est reliée au bassin pour traitement de finition en étant équipée d'une vanne de contrôle (20), de sorte qu'une fraction de l'effluent brut peut être dérivée et envoyée au traitement de finition. 11. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'une conduite (24) équipée d'une pompe (25) est branchée sur un séparateur (31) et se divise en trois branches (27, 28, 29) reliées respectivement au premier réacteur (2), au bassin (30) du traitement de finition et au réacteur (6), de sorte qu'une partiedes boues concentrées peut être recirculée vers la première étape de traitement et une autre partie peut être recirculée vers le traitement de finition.