Brevet FR2970961A1 — publié le 20120803

Procédé de traitement d'un effluent liquide comprenant une méthanisation, un traitement biologique, une digestion de boues méthanisées et de boues biologiques, et une méthanisation de boues digérées. 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui du traitement d'effluents en vue de leur épuration. L'invention trouve plus précisément une application notamment dans le domaine du traitement des effluents résiduaires urbains ou industriels. 2. Art antérieur et ses inconvénients Les effluents résiduaires urbains ou industriels sont classiquement traités en vue de leur épuration avant d'être rejetés dans le milieu naturel. Une technique couramment mise en oeuvre en vue d'épurer ce type d'effluent 10 consiste, en référence à la figure 1, à l'acheminer dans des moyens de prétraitement 11. Ces moyens de prétraitement 11 comprennent généralement des moyens de dégrillage, des moyens de dessablage, des moyens de déshuilage, et un réacteur de méthanisation de type UASB (pour Upflow Anaerobic Sludge Blanket en langue anglaise). La mise en oeuvre de ces moyens de prétraitement 11 conduit à la production de boues primaires 12, de biogaz brûlé en torchère et d'un effluent prétraité. Ce dernier, en fonction du type de traitement amont, est acheminé vers des moyens de traitement biologique 13 comprenant par exemple un réacteur aérobie à boues activées, un biofiltre, des biodisques, des lagunes... L'effluent provenant des moyens de traitement biologique 13 est introduit dans un décanteur 14. La mise en oeuvre du décanteur 14 permet de produire un effluent traité 15 qui peut être acheminé vers un traitement ultérieur ou rejeté dans le milieu naturel. Elle conduit également à produire des boues biologiques. Une première partie 16 des boues biologiques est recirculée en amont des moyens de traitement biologique 13 pour y réguler la concentration en boues et éventuellement dans le réacteur UASB. Une seconde partie 17 des boues biologiques est dirigée avec les boues primaires 12 vers des moyens de traitement 18 dont la mise en oeuvre conduit à épaissir ou déshydrater les boues. Les boues traitées 19 sont ensuite généralement orientées vers des filières de valorisation agronomique. La mise en oeuvre d'une technique UASB est avantageuse dans la mesure où elle permet d'abattre, à bas coût énergétique, environ 50 à 80% de la DCO contenu dans l'effluent à traiter. Cette technique présente néanmoins quelques inconvénients. Le rendement d'une telle technique, en termes d'abattement de la DCO, baisse de manière importante lorsque la température de l'effluent à traiter se situe en dessous de 17 à 18°C. En outre, compte tenu des débits importants d'effluent à traiter, il est impossible, à tout le moins sans engager des dépenses énergétiques déraisonnables, de les chauffer de manière à les porter à une température à laquelle le rendement serait meilleur. Par conséquent, la mise en oeuvre d'une telle technique, bien qu'elle permette en principe d'abattre de manière satisfaisante et à faible coût la DCO, n'est pas envisageable dans les régions du monde dans lesquelles la température des effluents à traiter se situe continuellement ou saisonniérement en dessous de 15°C. Pour maintenir des rendements satisfaisants à des températures de moins de 15°C, le temps de séjour hydraulique des effluents dans le réacteur UASB devrait être porté à plus de 22 heures. Le volume du réacteur UASB devrait alors être multiplié par 2,5 ce qui remet en cause la viabilité économique de cette technique pour le traitement d'effluents dont la température est inférieure à 15°C. Un autre inconvénient de cette technique de l'art antérieur réside dans le fait que son rendement en termes d'abattement de l'azote et du phosphore est quasiment nul. Il en résulte que le rapport entre la concentration en carbone et la concentration en azote d'un effluent traité en sortie du méthaniseur (ou réacteur UASB) est fortement déséquilibrée, les techniques classiques de dénitrification par zone d'anoxie ne permettant pas de rompre un tel déséquilibre. Par conséquent, la mise en oeuvre d'une telle technique dans des régions du monde dans lesquelles les réglementations en termes de rejet d'azote sont particulièrement sévères est difficile voir impossible. Par ailleurs, on estime que 15 à 50% du biogaz formé au cours de la méthanisation d'un effluent à traiter s'échappe en dehors du méthaniseur avec l'effluent traité puis est libéré dans l'atmosphère en aval du méthaniseur. Une partie du biogaz formé n'est donc pas valorisée mais est au contraire rejetée dans l'atmosphère où il participe à l'effet de serre. Il en résulte qu'une telle technique bénéficie d'un bilan carbone défavorable ce qui ternit son image sur le marché des techniques d'épuration. Un autre inconvénient de cette technique de l'art antérieur est lié au fait qu'elle génère la production d'un volume relativement important de boues. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir, dans au moins un mode de réalisation, une technique de traitement d'effluent liquide par méthanisation qui permette de diminuer la production de boues comparativement aux techniques de l'art antérieur. Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre une telle technique qui permette, dans au moins un mode de réalisation, d'augmenter la production de biogaz comparativement aux techniques de l'art antérieur. L'invention a encore pour objectif de procurer, dans au moins un mode de réalisation, une telle technique qui puisse être mise en oeuvre dans de nombreuses régions du monde, y compris celle dans lesquelles la température des effluents à traiter se situe continuellement ou saisonniérement en dessous de 15°C. L'invention vise également à offrir, dans au moins un mode de réalisation, une telle technique qui puisse être mise en oeuvre dans un encombrement relativement réduit et qui soit simple, fiable et bon marché. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un procédé de traitement d'effluent liquide, qui selon l'invention 30 comprend : - une étape de méthanisation dudit effluent au sein d'un méthaniseur produisant du biogaz, des boues méthanisées et un effluent méthanisé ; - une étape de traitement biologique dudit effluent méthanisé au sein d'une zone de traitement biologique produisant des boues biologiques et un effluent traité ; - une étape d'extraction de boues biologiques épaissies de ladite zone de traitement biologique ; - une étape de digestion anaérobie d'au moins une partie desdites boues méthanisées et desdites boues biologiques épaissies au sein d'un digesteur produisant du biogaz et des boues digérées ; - une étape de recirculation d'au moins une partie desdites boues digérées dans ledit méthaniseur ; - une étape d'extraction d'au moins une partie des boues digérées. Ainsi, l'invention repose sur une technique tout à fait originale de traitement d'un effluent liquide comprenant une méthanisation de l'effluent au sein d'un méthaniseur, un traitement biologique de l'effluent méthanisé provenant du méthaniseur, une extraction des boues biologiques épaissies provenant du traitement biologique, une digestion anaérobie d'au moins une partie des boues méthanisées et des boues biologiques épaissies, et une recirculation d'au moins une partie des boues digérées vers le méthaniseur. Dans Mahmoud, N. et Al (2003) Anaerobic sewage treatment in one-stage UASB and a combined UASB-digester system. Seventh International Water Technology Conference Egypt, 307-322, et Mahmoud, N. (2008) High strength sewage treatment in a UASB reactor and an integrated UASB-digester system. Bioresource Technology 99, 7531-7538, les auteurs prévoient, en référence à la figure 2, de traiter un effluent 20 en l'introduisant dans un méthaniseur de type UASB 21 pour produire un effluent traité 22, des boues primaires 23 et du biogaz 24. Les boues primaires 23 sont introduites dans un digesteur de type CSTR 25 dont la mise en oeuvre permet de produire du biogaz 26 et des boues digérées 27. Les boues digérées 27 sont ensuite réintroduites dans le méthaniseur 21. Ils indiquent que cette mise en oeuvre peut permettre d'augmenter l'abattement de la teneur en DCO de l'effluent à traiter, de réduire le volume de boues produites, d'améliorer la stabilité et la décantabilité des boues produites, d'augmenter la production de biogaz. L'attention du lecteur est toutefois attirée sur le fait que l'efficacité d'une telle mise en oeuvre pour traiter des effluents à basse température, c'est-à-dire à une température inférieure à 15°C, reste à démontrer. Au cours de la mise au point de la technique selon l'invention, les inventeurs ont mis en relation, sous couvert de confidentialité, le méthaniseur 11 d'une installation classique selon l'art antérieur illustré à la figure 1 avec un digesteur de type CSTR selon les enseignements de N. Mahmoud. Ils ont ensuite, toujours sous couvert de confidentialité, réalisé des essais pour vérifier l'efficacité d'une telle mise en oeuvre. Ils se sont alors aperçu qu'une installation de ce type nécessitait la mise en oeuvre d'un digesteur dont le volume est tellement important, que sa mise en oeuvre est en définitive non compétitive notamment à l'investissement et sur le plan énergétique du fait que le biogaz produit est insuffisant pour mettre en température le digesteur. Les inventeurs ont dans ces conditions recherché une solution technique qui permettrait de mettre en oeuvre, à basse température, une technique de traitement d'effluent intégrant une méthanisation dont on sait que la mise en oeuvre à haute température présente l'avantage de permettre d'abattre de manière satisfaisante la teneur en DCO de l'effluent à traiter. Les inventeurs ont alors pensé à recirculer au moins une partie des boues biologiques au sein du digesteur, et se sont aperçus que cette mise en oeuvre conduisait, de manière tout à fait surprenante, notamment à : - réduire de manière importante le volume du digesteur ; - réduire la production de boues ; - augmenter la production de biogaz. Le fait de recirculer au moins une partie des boues biologiques dans le digesteur est contraire aux a priori de l'homme du métier qui, dans une installation du type de celle illustrée à la figure 1, ne met jamais en oeuvre de digesteur pour traiter les boues biologiques considérant que la digestion anaérobie est déjà mise en oeuvre au cours de la méthanisation. La mise en oeuvre d'une technique selon l'invention permet de réduire le volume du digesteur. En effet, l'intégration de la technique de N. Mahmoud dans une installation de l'art antérieur selon la figure 1 conduit à mettre en oeuvre une installation selon la figure 4 dont le volume du digesteur est 1,3 fois inférieur à celui du méthaniseur, alors que la mise en oeuvre de la technique selon l'invention peut conduire à mettre en oeuvre un digesteur dont le volume est entre 3 et 9 fois inférieur à celui du méthaniseur. La mise en oeuvre de cette technique permet de diminuer la production globale de boues. En effet, les boues produites sont digérées selon deux modes différents. Ainsi, une partie des boues qui est insensible à l'un des modes de digestion, le sera davantage à l'autre. En outre, la recirculation des boues vers le méthaniseur permet d'ensemencer ce dernier par de la biomasse anaérobie active provenant du digesteur. Cette biomasse, qui est active, ne nécessite aucun temps de maturation pour agir au sein du méthaniseur. Cette recirculation contribue par conséquent à augmenter le rendement de la méthanisation. La mise en oeuvre de la technique selon l'invention permet donc d'accroître la solubilisation de la fraction organique particulaire des boues ce qui contribue d'une part à diminuer la production de boues et d'autre part à augmenter la production de biogaz. La fraction organique particulaire des effluents liquides à traiter est difficile à abattre par méthanisation psychrophile à basse température. La solubilisation de cette fraction organique est améliorée par l'apport des boues anaérobies mésophiles provenant du digesteur. Ceci permet donc de pallier aux limites de rendement de la méthanisation à basse température. La technique selon l'invention permet ainsi de traiter de manière efficace un effluent dont la température est comprise entre 5 et 15°C. Selon une caractéristique avantageuse, ladite digestion est de type 30 mésophile ou thermophile. Selon une autre caractéristique avantageuse, ladite méthanisation est de type psychrophile ou mésophile. Les modes de fonctionnement de la digestion et de la méthanisation pourront ainsi être choisis avantageusement selon la nature de l'effluent à traiter. Si l'effluent à traiter est une eau résiduaire urbaine, la méthanisation sera préférentiellement psychrophile et la digestion mésophile, alors que si l'effluent à traiter est une eau résiduaire industrielle, la méthanisation et la digestion seront préférentiellement mésophiles. Le régime thermophile sera appliqué seulement sur les digesteurs de boues et en fonction de paramètres locaux comme la température des effluents et/ou les contraintes d'implantation. Ce régime permet généralement de réduire le volume du digesteur. Il est toutefois plus énergivore. Selon un mode de réalisation préférentiel, ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type aérobie. Le traitement biologique aérobie pourra par exemple mettre en oeuvre des boues activées, un biofiltre, des biodisques, un réacteur biologique séquencé (SBR)... La méthanisation permet d'abattre environ 50 à 70 % de la DCO de l'effluent à traiter. Le traitement biologique aérobie permet d'éliminer la DCO résiduelle contenue dans l'effluent méthanisé afin d'atteindre des normes de rejet acceptables pour le milieu naturel. Ainsi, en aval du traitement biologique, l'abattement total de la DCO et des MES est supérieur à 95%, l'abattement des MES étant obtenu en séparant les boues biologiques de l'effluent traité. Le traitement biologique peut également permettre d'éliminer au moins une partie de l'azote (par exemple par nitrification poussée) et/ou du phosphore contenu dans l'effluent à traiter et qui n'a pas été éliminée par la méthanisation. Dans une variante préférentielle, ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type anoxie. La mise en oeuvre d'une telle étape de traitement biologique anoxie peut permettre d'éliminer au moins une partie de l'azote et/ou du phosphore contenu dans l'effluent à traiter qui n'a pas été éliminée par le traitement biologique aérobie. Le phosphore pourra également être éliminé au moins en partie par simple voie physico-chimique par adjonction de chlorure ferrique ou d'un réactif équivalent. La zone de traitement biologique comprendra des moyens permettant de séparer les boues biologiques de l'effluent traité. Ces moyens pourront par exemple comprendre un décanteur, un bloc membrane, un flottateur, des disques filtrants, etc.). Les boues biologiques séparées de l'effluent traité pourront classiquement être épaissies avant d'être extraites. À titre d'exemple, dans le cas d'un décanteur, les boues biologiques épaissies seront extraites en partie inférieure du décanteur, dans le cas d'un bloc membrane, les boues biologiques seront recueillies par rétrolavage... l'épaississement des boues permet de les pré-concentrer avant de les recirculer. Un procédé selon l'invention comprend de manière préférée une étape de 15 recirculation d'au moins une partie desdites boues biologiques épaissies en amont dudit réacteur biologique. Un procédé selon l'invention comprend avantageusement une étape de contrôle du débit de recirculation des boues digérées dans ledit méthaniseur, une étape de contrôle du débit de recirculation des boues méthanisées dans ledit 20 digesteur, et une étape de contrôle du débit d'extraction desdites boues digérées. Lesdits débits de recirculation et d'extraction seront alors préférentiellement contrôlés de manière à maintenir la concentration de boues dans ledit méthaniseur et dans ledit digesteur respectivement comprises entre 10 et 100 gMVS/L et 30 et 100 gMVS/L selon la température dudit effluent à traiter. 25 L'abréviation MVS signifie Matières Volatiles en Suspension. Une telle mise en oeuvre permet de traiter un effluent dont la température est comprise entre 5 et 15°C dans un encombrement réduit en maximisant la production de biogaz et en diminuant la production de boues. La présente invention concerne également une installation de traitement 30 d'effluent, ladite installation comprenant : - un méthaniseur comprenant une entrée pour ledit effluent, une sortie de biogaz, une sortie de boues méthanisées et une sortie d'effluent méthanisé ; - des moyens de traitement biologique comprenant une entrée pour ledit effluent méthanisé, et une sortie de boues biologiques ; - une sortie d'effluent traité ; - une sortie de boues biologiques épaissies ; - des moyens de digestion comprenant une première entrée coopérant avec des moyens de recirculation de boues méthanisées, une deuxième entrée de boues biologiques épaissies, une sortie de biogaz et une sortie de boues digérées ; - des moyens de recirculation d'au moins une partie desdites boues digérées dans ledit méthaniseur ; - des moyens d'extraction d'au moins une partie desdites boues digérées. Une telle installation de traitement d'effluent comprend préférentiellement des moyens de régulation desdits moyens de recirculation et des moyens d'extraction. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - les figures 1 et 2 illustrent des schémas de deux types d'installation de traitement d'un effluent liquide selon l'art antérieur ; - la figure 3 illustre le schéma d'une installation de traitement d'un effluent liquide selon l'invention ; - la figure 4 illustre le schéma d'une installation de traitement d'effluent comprenant un méthaniseur UASB et un digesteur CSTR en communication. 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention 6.1. Rappel du principe de l'invention Le principe général de l'invention repose sur une technique tout à fait originale de traitement d'un effluent liquide comprenant une méthanisation de l'effluent au sein d'un méthaniseur, un traitement biologique de l'effluent méthanisé provenant du méthaniseur, une extraction de boues biologiques épaissies provenant du traitement biologique, une digestion anaérobie d'au moins une partie des boues méthanisées et des boues biologiques épaissies, et une recirculation d'au moins une partie des boues digérées vers le méthaniseur. La mise en oeuvre d'une telle technique permet : - de traiter un effluent dont la température est comprise entre 5 et 15°C dans une installation compacte, - de diminuer la production de boues, et - d'augmenter la production de biogaz. 6.2. Exemple d'une installation de traitement d'effluent liquide 15 selon l'invention On présente, en relation avec la figure 3, un mode de réalisation d'une installation de traitement d'un effluent liquide selon l'invention. Ainsi que cela est représenté sur cette figure 3, une telle installation comprend une canalisation d'amenée d'un effluent à traiter 30. Cette canalisation 20 30 débouche à l'entrée de moyens de prétraitement. Les moyens de prétraitement comprennent des moyens de dégrillage, dessablage et déshuilage 31, et un méthaniseur 32. Dans ce mode de réalisation, le méthaniseur 32 est du type à lit de boues anaérobies expansées (ou UASB pour Upflow Anaerobic Sludge Blanket en 25 langue anglaise) prévu pour fonctionner en mode psychrophile. Dans une variante, il pourra fonctionner en mode mésophile. Dans une autre variante, il pourra s'agir d'un méthaniseur du type à lit de boues hydrolysées expansées (ou HUSB pour Hydrolysis Upflow Sludge Blanket en langue anglaise). Le méthaniseur 32 loge un séparateur triphasique. Il comprend une sortie 30 de biogaz 321 qui est reliée à des moyens de traitement, de stockage et de valorisation (non représentés) dont la mise en oeuvre peut permettre la production de chaleur et d'électricité. Le méthaniseur 32 comprend également une sortie d'effluent méthanisé 33 et une sortie de boues méthanisées 322. La sortie d'effluent méthanisé 33 est reliée à l'entrée d'un réacteur biologique 34 à boues biologiques activées. Dans des variantes, d'autres techniques de traitement biologique pourront être mises en oeuvre comme par exemple les technologies à cultures fixées comme Biostyr®, MBBR AnoxKaldnes® ou autres, à bioréacteur à membranes ou à disques, à réacteur biologique séquentiel... Ce réacteur biologique 34 loge des moyens d'aération (non représentés). Il comprend une sortie qui est reliée par une canalisation 35 à l'entrée d'un décanteur 36. Le décanteur 36 comprend une sortie d'effluent traité 37 et une sortie de boues biologiques épaissies 38. Dans une variante, d'autres moyens de séparation liquide/solide pourront être mis en oeuvre, comme par exemple des moyens d'aéroflottation, des moyens de filtration... La sortie 38 est reliée par une canalisation à un moyen de raccordement en forme de T 39. Ce moyen de raccordement en forme de T 39 est relié à une canalisation 40 qui débouche dans la sortie 33 en amont du réacteur biologique 34. Le moyen de raccordement en forme de T 39 est également relié à une canalisation 41 qui débouche dans des moyens d'épaississement ou de déshydratation 42 des boues biologiques. Ces moyens d'épaississement ou de déshydratation 42 comprennent dans ce mode de réalisation un épaississeur. Dans des variantes, ils pourront par exemple comprendre un dispositif d'égouttage, de pressage, de centrifugation... Les moyens d'épaississement ou de déshydratation 42 des boues biologiques comprennent une sortie de jus d'épaississement (non représentée) qui débouche en amont du réacteur biologique 34. Il comprend également une sortie de boues biologiques épaissies qui est reliée par une canalisation 43 à l'entrée d'un digesteur anaérobie 44. Le digesteur anaérobie 44 est du type agité en permanence (ou CSTR pour Continuously Stirred Tank Reactor en langue anglaise) et est prévu pour fonctionner en mode mésophile. Dans une variante, il pourra fonctionner en mode thermophile. Il comprend une sortie de biogaz 441 qui est reliée aux moyens de traitement, de stockage et de valorisation. Il comprend en outre une sortie de boues digérées qui est reliée au méthaniseur 32 par une canalisation 45. Une canalisation d'extraction de boues digérées 47 est reliée à la canalisation 45. La sortie de boues méthanisées 322 est reliée au digesteur 44 par une canalisation 46. Les moyens de traitement de biogaz pourront être du type à dévisiculeur, à désulfurisation ou à élimination de siloxanes. Les moyens de stockage de biogaz pourront être du type à compression pour permettre l'alimentation d'une chaudière ou d'un cogénérateur. Les moyens de valorisation pourront comprendre une chaudière ou un cogénérateur. Le biogaz produit au sein du méthaniseur 32 et du digesteur 44 comprend approximativement 70% de méthane et 30% de dioxyde de carbone. Il peut être employé pour produire de la chaleur nécessaire à chauffer le digesteur 44 et de l'électricité utilisée par exemple pour mettre en oeuvre l'installation de traitement d'effluent. En cas de présence de produits gênants (sulfure d'hydrogènes, siloxanes...), il pourra faire l'objet d'un traitement spécifique avant d'être valorisé. En cas de production importante, il pourra être exporté en dehors de l'installation. Cette installation comprend en outre un système de régulation. Ce système 25 de régulation comprend des moyens de mesure : - de la température de l'effluent à traiter ; - du pH de l'effluent à traiter ; - du débit de biogaz provenant du méthaniseur 32 et du digesteur 44 ; - de la concentration en DCO à l'entrée du méthaniseur 32 et à l'entrée du 30 digesteur 44 ; - de mesure du débit de boues entrant dans le méthaniseur 32 et dans le digesteur 44. Le système de régulation comprend des vannes et/ou pompes à débits variables 48, 49 et 50 qui permettent respectivement de modifier le débit de boues méthanisées introduites dans le digesteur 44, de modifier le débit de boues digérées introduites dans le méthaniseur 32 et de modifier le débit de boues digérées extraites de l'installation. Le système de contrôle comprend également des moyens de commande auxquels sont reliés les moyens de mesure et les vannes 48, 49, 50. Pour fonctionner de manière optimale, c'est-à-dire pour maximiser la production de biogaz, minimiser la production de boues, y compris pour des effluents à traiter ayant une température comprise entre 5 et 15°C : - la charge massique appliquée au méthaniseur 32 doit être comprise entre 0,05 et 0,6 Kg DCO/KgMVS/jour ; - la charge massique appliquée au digesteur 44 doit être comprise entre 0,075 et 0,225Kg DCO/KgMVS/jour ; - le pH de l'effluent à traiter doit être compris entre 6,5 et 7,5. L'abréviation MVS signifie Matières Volatiles en Suspension. À partir des données mesurées par les moyens de mesures et des contraintes énoncées ci-avant, les moyens de commande pilotent l'ouverture des vannes 48, 49, 50 pour ajuster les débits de recirculation et d'extraction de boues de façon telle que la concentration en boues dans le digesteur 44 soit comprise entre 30 et 100g MVS/L et que la concentration en boues dans le méthaniseur 32 soit comprise entre 10 et 100g MVS/L. Lorsque la température de l'effluent baisse, l'activité de la biomasse au sein du méthaniseur 32 diminue. L'activité de la biomasse anaérobie dans le digesteur 44 doit alors être augmentée pour diminuer la charge massique. Les recirculations de boues méthanisées vers le digesteur 44 et de boues digérées vers le méthaniseur 32 sont alors augmentées alors que l'extraction de boues digérées est réduite. L'extraction des boues depuis l'un ou les deux réacteurs 32, 44 permet d'adapter les charges massiques dans chaque réacteur de façon à ce qu'elles restent dans les intervalles mentionnés ci-dessus lorsque la recirculation de boues entre les réacteurs ne permet pas de compenser les variations brutales de température et de charge entrante. L'activité méthanogéne de la biomasse anaérobie est directement dépendante de la température, comme l'exprime le tableau ci-dessous : Temperature Activité méthanogène spécifique Activité relative °C kg DCOméthanisée/kgMVS/j % 35 1.2 100 30 0.90 75 25 0.60 50 20 0.42(1) 35 15 0.21(1) 17 Note (1) Valeurs extrapolées à partir des données entre 20 et 25°C. L'objectif des régulations est de maintenir le méthaniseur et le digesteur dans les conditions optimales d'activité méthanogéne afin de diminuer la production de boues et d'augmenter la production de biogaz. Le digesteur est toujours régulé à la température optimale, mais pas le méthaniseur. Donc ce dernier doit être ensemencé en continu par de la biomasse provenant du digesteur afin de bénéficier d'une activité méthanogéne optimale. Plus la température des effluents est basse en entrée du méthaniseur, plus la recirculation de biomasse anaérobie provenant du digesteur devra être importante pour compenser la baisse de température (donc la baisse d'activité méthanogéne). Inversement, plus la température de l'effluent à traiter est élevée, plus la recirculation de biomasse anaérobie provenant du digesteur est faible. Cependant, ces variations de recirculation des boues entre le méthaniseur et le digesteur doivent être effectuées dans le respect des charges massiques appliquées afin d'éviter une surcharge organique ou un excès de boues dans chacun des réacteurs. C'est pour cette raison que le débit d'extraction des boues en excès est également régulé en fonction des fluctuations des paramètres précédemment évoqués. 6.3. Exemple d'un procédé de traitement d'un effluent liquide selon l'invention Le traitement d'un effluent au moyen d'une installation telle qu'elle vient d'être décrite consiste à acheminer via la canalisation 30 cet effluent vers les moyens de prétraitement 31 de manière telle qu'il soit débarrassé des sables et des huiles qu'il contient. L'effluent dessablé et déshuilé est ensuite introduit dans le réacteur de type UASB 32 au sein duquel il subit une méthanisation. Pour le traitement des eaux résiduaires urbaines, le méthaniseur 32 fonctionnera en mode psychrophile, à la température ambiante des eaux résiduaires sans chauffage, avec un temps de séjour hydraulique des effluents compris entre 2 et 12 heures pour assurer leur méthanisation. Pour le traitement des eaux résiduaires industrielles, le méthaniseur 32 fonctionnera en mode mésophile, à une température située autour de 37°C, avec un temps de séjour hydraulique des boues de quelques heures selon la charge volumique appliquée qui se situe généralement entre 5 et 30 Kg DCO/m3/j. Cette méthanisation conduit à la production de biogaz qui est stocké, traité et revalorisé, et d'un effluent prétraité. L'effluent méthanisé est introduit dans les moyens de traitement 20 biologique 34 au sein desquels il subit un traitement biologique. Ce traitement biologique conduit à la production de boues biologiques. Les boues biologiques sont acheminées vers le décanteur 36 dont la mise en oeuvre permet la production d'un effluent traité 37 et de boues biologiques épaissies 38. 25 Les boues biologiques épaissies sont en partie recirculées à l'entrée des moyens de traitement biologique 34. Cette recirculation permet de réguler de manière classique la concentration en boues dans les moyens de traitement biologique 34. Le reste des boues biologiques épaissies est introduit dans les moyens de traitement de boues 42. Les boues biologiques y sont déshydratées 30 et/ou épaissies avant d'être introduites dans le réacteur 44 de type CSTR. 2970961 lé Les boues biologiques épaissies sont mélangées dans ce réacteur 44 avec les boues provenant du méthaniseur 32. Ce mélange de boues subit une digestion anaérobie à l'intérieur du digesteur 44. Pour le traitement des eaux résiduaires urbaines et industrielles, le 5 digesteur 44 fonctionnera généralement en mode mésophile à une température comprise entre 35 et 37°C, avec un temps de séjour hydraulique des boues compris entre 15 et 20 jours. Cette digestion conduit à la production de biogaz qui est stocké, traité et revalorisé, et de boues digérées. 10 Une partie des boues digérées est recirculée dans le méthaniseur 32 via la canalisation 45. L'autre partie est extraite de l'installation via la canalisation 47. 6.4. Essais 6.4.1. Validation en termes de production de biogaz, de boues et de taille de l'installation 15 Des essais ont été menés, sous le sceau de la confidentialité, pour valider l'efficacité d'une technique de traitement d'effluent selon l'invention. Les caractéristiques de l'effluent traité au cours de ces essais étaient les suivantes : - Débit : 250000 m3/j ; - Concentration en DCO : 500 mg/L ; - Concentration en DBOS : 245 mg/L ; - Concentration en MES : 240 mg/L ; - NGL (azote global) : 40 mg/L ; - PT (phosphore total) : 10 mg/L ; - Température 20°C. Une première série d'essais a consisté à traiter un tel effluent dans une installation telle que celle qui est illustrée à la figure 4. Cette installation diffère de celle qui est illustrée à la figure 1 du fait que les boues méthanisées 12 sortant du méthaniseur 11 sont recirculées dans un digesteur de type CSTR 40 dont la mise en oeuvre conduit à la formation de biogaz 42 et de boues digérées qui sont en partie recirculées 43 dans le méthaniseur 11 et en partie extraites 41. Dans ce cas, une partie des boues biologiques épaissies ainsi qu'une partie des boues digérées sont extraites directement de l'installation. Il existe donc deux points d'extraction de boues. Le prétraitement était de type méthanisation UASB avec un temps de séjour hydraulique de 8,5 heures à 20°C, le traitement biologique par boues activées à forte charge, la digestion CSTR de type mésophile en recirculation avec le réacteur UASB. Une deuxième série d'essais a consisté à traiter un tel effluent dans une installation selon l'invention telle que celle qui est illustrée à la figure 3. Le prétraitement était de type méthanisation UASB avec un temps de séjour hydraulique de 8,5 heures à 20°C, le traitement biologique par boues activées à forte charge, la digestion CSTR de type mésophile traitant à la fois les boues fraîches provenant de la décantation et les boues biologiques, avec mise en oeuvre d'une reciruclation entre le réacteur UASB et le digesteur CSTR. Le volume du réacteur CSTR est 1,3 fois inférieur à celui du réacteur UASB. Les résultats consignés dans le tableau suivant mettent en évidence le fait que la mise en oeuvre de la technique selon l'invention permet d'augmenter la production de biogaz, de réduire la formation de boues au moyen d'une installation dont le volume du réacteur CSTR est fortement réduit. Paramètres Unités Essais 1 Essais 2 Décanteur Primaire volume m3 0 0 Boues Activées volume m3 30 000 20 000 UASB volume m3 88 800 88 800 CSTR volume m3 68 000 17 600 CH4 provenant de UASB m3/d 2 093 2 163 CH4 provenant de CSTR m3/d 18 157 19 782 CH4 total m3/d 20 250 21 945 Boues produites kg/d 33 399 26 666 Taux de recirculation % 23 3 UASB / débit entrée Taux de recirculation % 22 0,3 CSTR / débit entrée La taille importante du CSTR de l'installation de la figure 4 rend cette technique non compétitive à l'investissement et sur le plan énergétique du fait que le biogaz produit est insuffisant pour mettre en température de CSTR. Les résultats consignés dans le tableau suivant mettent en évidence que la mise en oeuvre de la technique selon l'invention permet de produire d'avantage d'énergie qu'elle n'en consomme. Essais 1 Essais 2 Puissance électrique 3172 2482 consommée (Kw) Energie électrique 2665 2665 produite par cogénération avec un moteur à gaz alimenté par le biogaz provenant du méthaniseur et du digesteur (Kw) Rendement 84% 107% La diminution de la production globale de boues s'explique d'une part du fait que les temps de rétention des boues en phase anaérobie sont cumulés : soit 30 à 60 jours dans l'UASB et 10 à 20 jours dans le CSTR, donc un temps total de séjour des boues en conditions anaérobies de 40 à 80 jours sur l'ensemble de la station d'épuration. Elle s'explique d'autre part du fait que la régulation de la recirculation des boues anaérobies entre les deux réacteurs UASB et CSTR permet : - de maintenir dans chaque réacteur anaérobie, la charge massique optimale en fonction des fluctuations de T°C et de charges entrantes dans chaque réacteur ; - d'adapter les temps de séjour de boues dans les réacteurs en fonction des fluctuations saisonnières de températures et de charges entrantes dans la 5 station d'épuration ; - d'assurer une meilleure hydrolyse des matières organiques (celles qui ne sont pas hydrolysées dans l'UASB, le sont dans le digesteur) ; - d'assurer un meilleur rendement de l'UASB qui est régulièrement ensemencé par de la biomasse anaérobie active provenant du digesteur ; 10 - d'assurer un meilleur rendement du CSTR qui reçoit, (en continu ou en séquencé), des boues biologiques provenant de l'étape de traitement de finition aérobie et du réacteur UASB. Le fait de maintenir une production de biogaz optimale, tout en traitant jusqu'à 70 % de la DCO entrant dans la station par voie anaérobie, permet de 15 réduire considérablement la consommation électrique liée principalement à l'alimentation des aérateurs de l'étage de traitement biologique aérobie. Ceci implique que la mise en oeuvre d'une technique selon l'invention engendre une consommation électrique faible qui conduit à un bilan énergétique pouvant être positif. 20 6.4.2. Validation en termes de régulation Des essais ont été réalisés pour vérifier que la régulation proposée par l'invention était efficace. Ces essais ont consisté à traiter au sein d'une installation selon l'invention un effluent présentant les caractéristiques suivantes : 25 - Débit : 250000 m3/j ; - Concentration en DCO : 500 mg/L ; - Concentration en DBOS : 245 mg/L ; - Concentration en MES : 240 mg/L ; - NGL (azote global) : 40 mg/L ; 30 - PT (phosphore total) : 10 mg/L ; - Température 20°C. De façon à observer ce qui se passe lorsque la charge entrante augmente, un effluent présentant les caractéristiques suivantes a ensuite été traité sans puis avec mise en oeuvre de la régulation de recirculation : - Débit : 250000 m3/j ; - Concentration en DCO : 1000 mg/L ; - Concentration en DBOS : 491 mg/L ; - Concentration en MES : 435 mg/L ; - NGL (azote global) : 40 mg/L ; - PT (phosphore total) : 10 mg/L ; - Température 20°C. Les consignes de fonctionnement du réacteur UASB à 20°C étaient les suivantes : - Temps de séjour hydraulique : 8,5 heures ; - pH compris entre 6,5 et 7,5 ; - charge massique (Cm) environ égale à 0,5 Kg DCO/KgMVS/j. Les consignes de fonctionnement du réacteur CSTR à 20°C étaient les suivantes : - Temps de séjour hydraulique : 20 jours ; - pH compris entre 6,5 et 7,5 ; - charge massique (Cm) comprise entre 0,1 et 0,15 Kg DCO/KgMVS/j. Les résultats consignés dans le tableau suivant montre que si on souhaite maintenir les consignes de fonctionnement (notamment la charge massique et le pH afin d'éviter une acidification et une perte de rendement des réacteurs anaérobies) alors que la charge massique a doublé, la concentration de biomasse dans le réacteur CSTR augmente jusqu'à environ 150 gMVS/L. Cette concentration en MVS n'est pas admissible dans un tel réacteur et provoquerait à court terme un risque de colmatage des conduites hydrauliques et des problèmes de brassage interne. La mise en oeuvre de la régulation de recirculation selon l'invention permet dans ce cas de réduire le débit de recirculation entre le CSTR et l'UASB et d'augmenter le débit d'extraction des boues du CSTR qui passe de 200 à 400 m3/h. Ceci permet de revenir à une concentration en MVS acceptable dans le CSTR tout en maintenant les consignes de pilotage des réacteurs. DCO Débit de Débit Concentrat Charge pH Charge pH entrée recirculati d'extracti ion massique CSTR massique UASB station on on des biomasse appliquée au appliquée à (mg/L CSTR~ boues dans CSTR CSTR (kg l'UASB (kg ) UASB (gMVS/L) DCO/kgMVS/ DCO/kgMVS (m3/h) d) /d) 500 740 200 76 0,11 6,9 0,5 6,74 1000 740 200 150 0,12 6,39 0,49 6,94 1000 540 400 86 0,15 6,37 0,55 6,93 6.5. Avantages La technique selon l'invention permet : - de réduire la formation de boues ; - d'augmenter la production de biogaz ; - d'assurer une mise en oeuvre de manière autonome sur le plan énergétique (qui est par exemple impossible lors de la mise en oeuvre de l'installation illustrée à la figure 4 du fait de la taille importante du réacteur CSTR et des taux importants de recirculation de boues requis) ; - de mettre en oeuvre une installation comprenant un digesteur CSTR et un méthaniseur UASB de petite taille (le rapport entre le volume du CSTR et le volume de l'UASB est compris entre 3 et 9, et préférentiellement entre 4,5 et 5,5 ce qui rend la technique selon l'invention économiquement viable) ; - de mettre en oeuvre de faibles taux de recirculation des boues ; - de réguler la recirculation des boues pour adapter la charge massique aux variations saisonnières (fluctuation de charge au cours de la journée, changement de température entre le jour et la nuit, entre les différentes périodes de l'année) - d'accélérer les phases de démarrage du fait de l'ensemencement continu du réacteur UASB en bactéries anaérobies ; - de limiter la toxicité des bactéries sulfato-réductrices et les émissions d'H2S. 6.6. Variante Comme cela a été indiqué précédemment, une technique selon l'invention peut alternativement mettre en oeuvre un méthaniseur de type UASB ou de type 5 HUSB. À titre informatif, le temps de séjour moyens des effluents à traiter est d'environ 2,5 heures au sein d'un réacteur de type HUSB, et d'environ 8 heures au sein d'un réacteur de type UASB. Le rendement moyen en termes d'abattement de la DCO totale est d'environ 43% au sein d'un HUSB, et 10 d'environ 50% et peut atteindre en fonctionnement optimum 70% au sein d'un UASB. Le rendement moyen en termes d'abattement des MES est d'environ 83% au sein d'un HUSB, et supérieur à 80% au sein d'un UASB. Les moyens de traitement aérobie des effluents méthanisés en sortie d'un UASB sont moins volumineux que ceux mis en oeuvre pour traiter des effluents méthanisés 15 provenant d'un HUSB. La DCO particulaire est partiellement solubilisée et transformée en Acides Gras Volatils (AGV) au sein d'un HUSB. Elle est partiellement solubilisée et transformée en biogaz au sein d'un UASB. En d'autres termes, la dénitrification des effluents méthanisés provenant d'un HUSB est meilleure que celle des effluents méthanisés provenant d'un UASB. 20 Certes, un méthaniseur HUSB produit peu de biogaz. Il transforme néanmoins une partie de la DCO en AGV dont la présence dans les effluents méthanisés provenant de l'HUSB tend à améliorer leur dénitrification ultérieure. En outre, compte tenu de la recirculation entre les deux réacteurs anaérobies, une partie des AGV est quand même transformée en biogaz. Au final, la mise en 25 oeuvre d'un méthaniseur HUSB en substitution d'un réacteur UASB dans une technique selon l'invention conduit à produire une quantité de biogaz globalement satisfaisante. Par ailleurs, le volume d'un méthaniseur HUSB est environ trois fois plus faible que celui d'un méthaniseur UASB, ce qui peut présenter un intérêt sur le plan économique. 30 Tant la mise en oeuvre d'un réacteur UASB que celle d'un réacteur HUSB dans une technique selon l'invention est donc intéressante. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'effluent liquide, ledit procédé comprenant : - une étape de méthanisation dudit effluent au sein d'un méthaniseur (32) produisant du biogaz, des boues méthanisées et un effluent méthanisé; - une étape de traitement biologique dudit effluent méthanisé au sein d'une zone de traitement biologique (34) produisant des boues biologiques et un effluent traité ; - une étape d'extraction de boues biologiques épaissies de ladite zone de traitement biologique (34) ; - une étape de digestion anaérobie d'au moins une partie desdites boues méthanisées et desdites boues biologiques épaissies au sein d'un digesteur (44) produisant du biogaz et des boues digérées ; - une étape de recirculation d'au moins une partie desdites boues digérées dans ledit méthaniseur (21) ; - une étape d'extraction d'au moins une partie des boues digérées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température dudit effluent est comprise entre 5 et 15°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite digestion est de type mésophile ou thermophile. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite méthanisation est de type psychrophile ou mésophile. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type aérobie. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type anoxie. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de recirculation d'au moins une partie desdites boues 30 biologiques épaissies en amont dudit réacteur biologique (34) ou dudit réacteur dedénitrification. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de contrôle du débit de recirculation des boues digérées dans ledit méthaniseur (32), une étape de contrôle du débit de recirculation des boues méthanisées dans ledit digesteur (44), et une étape de contrôle du débit d'extraction desdites boues digérées. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits débits de recirculation et d'extraction sont contrôlés de manière à maintenir la concentration de boues dans ledit méthaniseur (32) et dans ledit digesteur (44) respectivement comprises entre 10 et 100 gMVS/L et 30 et 100 gMVS/L selon la température dudit effluent à traiter. 10. Installation de traitement d'effluent, ladite installation comprenant : - un méthaniseur (32) comprenant une entrée pour ledit effluent, une sortie de biogaz (321), une sortie de boues méthanisées (322) et une sortie d'effluent méthanisé (33) ; - des moyens de traitement biologique (34) comprenant une entrée pour ledit effluent méthanisé, et une sortie de boues biologiques ; - une sortie d'effluent traité (37), - une sortie de boues biologiques épaissies (38) ; - des moyens de digestion (44) comprenant une première entrée coopérant avec des moyens de recirculation (46) de boues méthanisées, une deuxième entrée de boues biologiques épaissies, une sortie de biogaz (441) et une sortie de boues digérées (47) ; - des moyens de recirculation (45) d'une partie desdites boues digérées dans 25 ledit méthaniseur (32) ; - des moyens d'extraction (47) d'au moins une partie desdites boues digérées. 11. Installation de traitement d'effluent selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de régulation desdits moyens de recirculation 30 (46, 45) et des moyens d'extraction (47).