Brevet FR2990689A1 — publié le 20131122

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT D'EAU RESIDUAIRE URBAINE ET/OU INDUSTRIELLE CONTENANT DES GRAISSES ET/OU DES HUILES A ELIMINER. L'invention est relative à un procédé de traitement d'eau résiduaire urbaine et/ou industrielle contenant des graisses et/ou des huiles à éliminer, ce procédé comportant une étape d'hydrolyse biologique, en particulier en absence d'oxygène par des bactéries hydrolytiques et acidogènes. Les eaux résiduaires urbaines et les principaux effluents de l'industrie agroalimentaire (laiteries, fromageries, production de crèmes glacées, produits surgelés, plats cuisinés, abattoirs, production de gélatine, production de diesters, et autres) contiennent des concentrations élevées de graisses et d'huiles qu'il faut généralement éliminer par un prétraitement physico-chimique, par exemple par flottation, avant d'aborder le traitement biologique principal par boues activées ou par méthanisation. Le problème de l'élimination finale des boues graisseuses, fréquemment très fermentescibles et odorantes, est souvent traité par l'incinération. L'hydrolyse biologique est appliquée généralement sur des boues graisseuses concentrées, ce qui limite fortement les performances dans la mesure où les métabolites produits bloquent rapidement les processus biologiques. L'invention a pour but, surtout, d'améliorer les rendements d'hydrolyse de graisses et huiles dans les eaux résiduaires et de permettre une augmentation de la production de gaz, en particulier par traitement par méthanisation, liée aux graisses et huiles hydrolysées, avec une consommation minimale d'énergie. Selon l'invention, un procédé de traitement d'eau résiduaire urbaine et/ou industrielle contenant des graisses et/ou des huiles à éliminer, comporte une étape d'hydrolyse biologique, en particulier par des bactéries hydrolytiques, et est caractérisé en ce que : - l'hydrolyse biologique est appliquée directement à l'eau à traiter, après tamisage éventuel et sans traitement physico-chimique préalable ; - un traitement de séparation de l'eau résiduaire est effectué en sortie d'hydrolyse biologique, en particulier par coagulation/floculation/flottation ; - et les graisses et/ou huiles résiduelles concentrées des boues, obtenues après traitement de séparation, sont soumises à une hydrolyse enzymatique. L'invention permet d'éliminer les graisses et les huiles par hydrolyse combinée biologique et enzymatique ; l'invention réalise un couplage de l'hydrolyse biologique effectuée directement sur les effluents bruts graisseux, par exemple sortant d'une usine agroalimentaire, avec une hydrolyse enzymatique réalisée sur les graisses et huiles concentrées des boues, obtenues notamment après coagulation/floculation/flottation de l'effluent sortant de l'hydrolyse biologique. La séparation, par flottation ou décantation ou décantation lamellaire ou centrifugation, après l'hydrolyse biologique, permet d'arrêter et de concentrer les graisses et huiles mais aussi les matières en suspension qui sont ensuite traitées dans le réacteur d'hydrolyse enzymatique. Le couplage est très efficace pour d'une part la solubilisation de la matière solide graisseuse et liquide huileuse, mais aussi pour la production d'acides gras volatils à courtes chaînes permettant le traitement efficace du substrat obtenu, par voies anaérobies comme la méthanisation pour produire du biogaz valorisable en chaudière, en moteur à gaz ou turbine à gaz. Ces acides gras volatils constituant une part importante du substrat peuvent également être utilisés comme source de carbone organique pour la déphosphatation biologique ou la dénitrification biologique ou plus simplement ces substrats obtenus après le couplage pourront être traités et éliminés directement par voies biologiques aérobies. De préférence, après hydrolyse enzymatique, le mélange de boues hydrolysées est recyclé, au moins en partie, vers l'hydrolyse biologique. Avantageusement, l'hydrolyse biologique est effectuée dans un réacteur agité A, et assure la solubilisation d'une partie des graisses et huiles, et la production d'acides gras volatils. Le temps de séjour pour l'hydrolyse biologique peut être compris entre 8 et 36 heures. Avantageusement, le pH dans le réacteur A est maintenu entre 4,5 et 7,5, en particulier par neutralisation avec de l'alcalinité. Les boues concentrées en sortie du traitement de séparation sont mises en contact avec l'enzyme ou les enzymes appropriées, en particulier des lipases disponibles dans le commerce, dans un autre réacteur agité. Le temps de séjour dans le réacteur pour hydrolyse enzymatique peut être compris entre 4 et 24 heures, et le pH dans le réacteur est maintenu entre 5,5 et 9,0, en particulier par neutralisation avec de l'alcalinité. La température dans le réacteur pour hydrolyse enzymatique peut être comprise entre 15 et 40°C. L'effluent, débarrassé des boues concentrées, en sortie du traitement de séparation peut être soumis à au moins une étape de méthanisation dans un réacteur B, avantageusement complétée par au moins une étape de déphosphatation biologique dans un réacteur C, éventuellement suivie d'au moins une étape de dénitrification biologique dans un réacteur D, et éventuellement suivie d'au moins une étape de boues activées aérobies dans un réacteur E. Au moins un des réacteurs est complété par au moins un séparateur final, flottateur, ou clarificateur, ou décanteur lamellaire, ou membranes. Les boues concentrées sortant du séparateur final peuvent être recyclées au moins en partie à l'entrée de l'hydrolyse biologique et/ou de l'hydrolyse enzymatique. L'invention permet de transférer la pollution principalement solide liée aux graisses et huiles vers une pollution soluble facilement biodégradable, en particulier par méthanisation, ou par voie aérobie. L'invention permet une augmentation de la pollution soluble qui conduit, dans le cas de la méthanisation, à produire davantage de biogaz valorisable avec une très faible quantité de boues résiduelles ; dans le cas des boues activées aérobies, la charge de traitement est augmentée mais compensée par une amélioration du coefficient de transfert d'02 avec une amélioration du rapport kg02/kwh, liée à l'absence de graisses en concentrations pénalisantes et à une réduction des boues en quantité et nuisances, ces boues étant valorisables en épandage agricole. En outre, l'hydrolyse enzymatique impacte les lipoprotéines et phospholipides constituant les cellules bactériennes, les boues biologiques en excès ainsi traitées sont recyclées, ce qui conduit à une réduction significative de la production de boues. Pour l'hydrolyse enzymatique, on utilise avantageusement comme enzymes des enzymes ou des cocktails d'enzymes comme par exemple BM31 et DP60 (de la société Realco), disponibles dans le commerce, en particulier des lipases, phospholipases , estérases , protéases. L'hydrolyse biologique et enzymatique intégrée dans une ligne de traitement par voies biologiques permet une meilleure efficacité des processus d'hydrolyse et une réduction des coûts d'exploitation grâce aux recyclages d'une partie des liqueurs ou d'eau traitée provenant de l'un ou l'autre des réacteurs biologiques en apportant des bactéries acidogènes, de l'alcalinité et permettant également l'augmentation de la température dans le cas du recyclage provenant d'une méthanisation. L'invention est également relative à une installation pour la mise en oeuvre du procédé défini précédemment, cette installation comportant un premier réacteur A qui reçoit les effluents provenant directement d'une source, notamment une usine agroalimentaire, pour un traitement par hydrolyse biologique, suivi d'un séparateur X, en particulier par flottation, ou décantation, ou décantation lamellaire, ou centrifugation, qui fournit en sortie des boues graisseuses dirigées vers un second réacteur F pour un traitement par hydrolyse enzymatique, et des eaux claires ou sous-nageants dirigés vers un troisième réacteur B pour un traitement biologique. Une conduite est prévue entre la sortie du second réacteur F et le premier réacteur A pour un recyclage d'au moins une partie de l'effluent traité par hydrolyse enzymatique dans le second réacteur F. 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'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin : la figure 1, unique, est un schéma d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. En se reportant au dessin, on peut voir que l'effluent à traiter, constitué par une eau résiduaire urbaine et/ou industrielle contenant des graisses et/ou des huiles, est introduit, par une conduite 1 directement, après simple tamisage, dans un réacteur A pour y subir une hydrolyse biologique. Le réacteur A comporte dans le fond une agitation de l'effluent, et éventuellement une aération contrôlée permet dans des cas très défavorables de maîtriser le potentiel d'oxydoréduction et la production d'odeurs liées par exemple à H25. Cette agitation est généralement complétée par au moins un agitateur mécanique. L'effluent à traiter subit un début d'hydrolyse biologique qui comprend la solubilisation d'une partie des graisses et des huiles, cette partie étant de l'ordre de 10 à 40 % en masse des graisses et huiles contenues par l'effluent, et la production d'acides gras volatils, notamment acides acétique, propionique, butyrique, valérique. Le temps de séjour de l'effluent dans le réacteur A est compris de préférence entre 8 et 36 h. Une neutralisation de la liqueur contenue dans le réacteur A est assurée, généralement avec de l'alcalinilité, en particulier de la soude, injectée à l'aide d'une conduite 2 dans le réacteur. Le pH dans le réacteur A est avantageusement maintenu entre 4,5 et 7,5. La température optimum pour le traitement dans le réacteur A est comprise entre 15 et 40°C; elle peut être augmentée par la mise en oeuvre d'un système de chauffage et de régulation de la température. L'effluent qui a subi l'hydrolyse biologique sort du réacteur A par une conduite 3 et est dirigé vers un séparateur X dans lequel les boues graisseuses et les huiles, ainsi que les matières en suspension sont retenues et concentrées, pour être évacuées par une conduite 4. L'effluent, ainsi débarrassé, constitue une eau claire ou un sous-nageant qui est évacué par une conduite 5. Le séparateur X peut être un flottateur ou un clarificateur ou un décanteur lamellaire. L'eau résiduaire est généralement soumise, avant d'être introduite dans le séparateur X, à un traitement de coagulation et de floculation. Le cas échéant, le séparateur X peut être constitué par une centrifugeuse. A titre indicatif non limitatif, la concentration en graisses et/ou en huiles des boues sortant du séparateur X par la conduite 4 peut varier comme indiqué ci-après selon l'équipement constituant le séparateur. Equipement Flottateur Décanteur Décanteur Centrifugeuse lamellaire Concentration 15 10 10 100 à 50 g/L à 25 g/L à 25 g/L à 250 g/L Les boues concentrées qui sortent du séparateur X par la conduite 4 sont introduites dans un deuxième réacteur F agité, pour y être soumises à une hydrolyse enzymatique. Le réacteur F peut également servir à la mise en oeuvre d'une étape complémentaire G d'hydrolyse de boues biologiques en excès arrivant par une conduite 6b en provenance d'un autre réacteur B, ou d'un ensemble de réacteurs B+C+D+E décrits ci-après, auquel cas le réacteur F sera désigné par F+G. Par la suite F désignera aussi bien F que F+G. Les boues provenant du réacteur B ou de l'ensemble des réacteurs B+C+D+E peuvent être recyclées, pour partie au moins, dans le réacteur A d'hydrolyse biologique par une branche 6a. Dans le réacteur agité F, ou F+G, les boues concentrées sont mises en contact avec l'enzyme ou les enzymes appropriées injectées dans le réacteur par une conduite 7. Les enzymes utilisées sont disponibles dans le commerce, et comprennent en particulier des lipases, phospholipases estérases, protéases. Le temps de séjour optimum dans le réacteur F pourra varier de 4 à 24 h. Une neutralisation de la liqueur du réacteur F, généralement avec de l'alcalinilité introduite par une conduite 8, peut être nécessaire pour maintenir un pH optimum entre 5,5 et 9,0 dans ce réacteur F. La température optimum dans le réacteur F est comprise entre 15 et 40°C, mais elle peut être augmentée par la mise en oeuvre d'un système de chauffage et de régulation de la température. L'effluent, débarrassé des boues, sortant du séparateur X par la conduite 5, est dirigé vers un troisième réacteur B, ou vers un ensemble de réacteurs B + C + D + E. Ce réacteur ou ensemble de réacteurs peut comprendre une ou plusieurs étapes de méthanisation, avec le réacteur B, complétée(s) éventuellement par une ou plusieurs étapes de traitement de déphosphatation biologique par un réacteur C, éventuellement suivie(s) par une ou plusieurs étapes de dénitrification biologique avec un réacteur D, éventuellement suivie(s) d'une ou plusieurs étapes de boues activées aérobies selon un réacteur E. Selon un autre mode de fonctionnement, à la sortie du séparateur X, l'effluent débarrassé des boues est dirigé par la conduite 5 directement vers les réacteurs C + D + E, comprenant éventuellement une ou plusieurs étapes de traitement de déphosphatation biologique (réacteur C), suivie(s) ou non par une ou plusieurs étapes de dénitrification biologique (réacteur D), suivie(s) ou non par une ou plusieurs étapes de boues activées aérobies (réacteur E). Chacun des réacteurs B, C, D, E peut être complété par un ou plusieurs séparateurs finaux Y. Chaque séparateur final Y peut être constitué par un flottateur ou un clarificateur ou un décanteur lamellaire ou par des membranes. Les boues concentrées par le séparateur Y sont évacuées par une conduite 9 qui se divise en trois branches 9a, 9b, 9c. La branche 9a permet un recyclage des boues dans le réacteur F. La branche 9b permet un recyclage des boues dans le réacteur A, tandis que la branche 9c permet un recyclage des boues dans la conduite 3 en amont du séparateur X. Une conduite 10 branchée en dérivation sur la conduite 9 est prévue pour l'extraction des boues en excès provenant du ou des séparateurs Y. Les boues ainsi extraites peuvent être soumises ultérieurement à un traitement de déshydratation. L'eau traitée, séparée des boues évacuées par la conduite 9, sort du séparateur Y par une conduite 11, et peut être soumise à un traitement tertiaire tel que : filtration sur sable, traitement par flottateur, décanteur lamellaire, ou filtration sur membrane. Une conduite 12 récupère l'effluent sortant du réacteur F après hydrolyse enzymatique. Cette conduite 12 se divise en plusieurs branches 12a, 12b, 12c qui permettent un recyclage de l'effluent en plusieurs points de l'installation. La branche 12a assure un recyclage dans le réacteur A d'hydrolyse biologique. La branche 12b assure un recyclage en un point de la conduite 3 située entre la sortie du réacteur A et l'entrée du séparateur X. La branche 12c assure un recyclage dans au moins un des réacteurs B, C, D, E. Les recyclages 6b et 9a provenant respectivement des réacteurs B et/ou C et/ou D et/ou E, en particulier du traitement par méthanisation, et du séparateur Y peuvent avantageusement apporter de l'alcalinité et de la chaleur (kilocalories) permettant l'augmentation de la température du réacteur F. Dans certains cas, en fonction de la température des effluents bruts et pour un taux de recyclage adapté, les recyclages peuvent permettre l'obtention de paramètres optimum de fonctionnement du réacteur F. Le taux de recyclage peut varier de 10 à 100 % du débit d'effluent à traiter. Les différentes conduites de l'installation sont équipées de vannes (non représentées) permettant de contrôler à volonté le débit passant dans la conduite considérée. Les recyclages 12a, 6a et 9b provenant respectivement du réacteur F, de l'ensemble de réacteurs B, C, D, E, en particulier du traitement par méthanisation dans le réacteur B, et du séparateur Y peuvent apporter dans le réacteur A de l'alcalinité et de la chaleur (kilocalories) permettant l'augmentation de la température du réacteur A. Dans certains cas, en fonction de la température des effluents bruts et pour un taux de recyclage adapté, les recyclages peuvent permettre l'obtention des paramètres optimums de fonctionnement du réacteur A. Le taux de recyclage peut varier de 10 à 100 % du débit d'effluent à traiter. Résultats obtenus Des essais pilotes ont été effectués sur des eaux résiduaires chargées de graisses et d'huiles de l'agroalimentaire et ont donné les résultats suivants. Etape d'hydrolyse Après hydrolyse Effluents biologique + Rendements à traiter enzymatique mg/L mg/L DCO totale 2300 à 12 850 2050 à 12 665 5 à 10 DCO soluble 1150 à 4 700 1900 à 11 700 DB05 850 à 4000 1285 à 7500 Matières grasses 600 à 3500 50 à 150 90 à 96 + huiles MES(Matières en suspension) 350 à2950 150 à450 57 à 85 Ces résultats font apparaître que le rendement d'hydrolyse (concentration en graisses de l'eau brute - concentration résiduelle) divisée par la concentration eau brute, représente 90 à 96 % d'élimination des matières grasses et huiles, et que l'augmentation de la DCO soluble (concentration en DCO soluble après hydrolyse - DCO soluble de l'eau brute) divisée par la concentration en DCO soluble de l'eau brute, représente 65 à 150 % (DCO = Demande chimique d'oxygène ; DB05 = demande biochimique en oxygène, ou quantité d'oxygène consommée, après 5 jours d'incubation à 20°C). Essais pilotes de méthanisation avec traitement biologique aérobie de finition Des essais pilotes de méthanisation avec traitement biologique aérobie de finition ont ensuite été effectués sur deux lignes de traitement. La ligne n° 1 correspondait à un traitement classique d'élimination des graisses et huiles par flottation, suivi d'une méthanisation et d'un traitement par boues activées aérobies. La ligne n° 2 correspondait à un traitement selon l'invention par couplage d'une hydrolyse biologique directement sur l'effluent à traiter suivie d'une hydrolyse enzymatique, puis d'une méthanisation et d'un traitement par boues activées aérobies. La production de méthane CH4 a donné, pour la ligne n° 1, de 0,46 à 0,2 litre/litre d'effluent, tandis que pour la ligne n° 2 cette production de méthane a été de 0,6 à 4 litre/litre d'effluent. 2 9906 89 9 On constate donc une augmentation importante de la production de méthane, jusqu'à vingt fois en fonction de la concentration en graisses et huiles des effluents. Les concentrations du rejet final selon les deux lignes des essais 5 pilotes sont données ci-après. Rejet final Ligne 1 Ligne 2 DCO mg/L REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'eau résiduaire urbaine et/ou industrielle contenant des graisses et/ou des huiles à éliminer, comportant une étape d'hydrolyse biologique, en particulier en absence d'oxygène par des bactéries hydrolytiques et acidogènes, caractérisé en ce que : - l'hydrolyse biologique est appliquée directement à l'eau à traiter, après tamisage éventuel et sans traitement physico-chimique préalable ; - un traitement de séparation (X) de l'eau résiduaire est effectué en sortie d'hydrolyse biologique, en particulier par coagulation/floculation/flottation ; - et les graisses et/ou huiles résiduelles concentrées des boues, obtenues après traitement de séparation, sont soumises à une hydrolyse enzymatique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après hydrolyse enzymatique, le mélange de boues hydrolysées est recyclé, au moins en partie, vers l'hydrolyse biologique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'hydrolyse biologique est effectuée dans un réacteur agité (A), et assure la solubilisation d'une partie des graisses et huiles, et la production d'acides gras volatils, le pH dans le réacteur (A) étant avantageusement maintenu entre 4,5 et 7,5, en particulier par neutralisation avec de l'alcalinité. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de séjour pour l'hydrolyse biologique est compris entre 8 et 36 heures. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les boues concentrées en sortie du traitement de séparation (X) sont mises en contact avec l'enzyme ou les enzymes appropriées, en particulier dans un autre réacteur agité (F). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le temps de séjour dans le réacteur pour hydrolyse enzymatique est compris entre 4 et 24 heures, et le pH dans le réacteur (F) est maintenu entre 5,5 et 9,0. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effluent, débarrassé des boues concentrées, en sortie du traitementde séparation (X), est soumis à au moins une étape de méthanisation dans un réacteur (B), avantageusement complétée par au moins une étape de déphosphatation biologique dans un réacteur (C), éventuellement suivie d'au moins une étape de dénitrification biologique dans un réacteur (D), et éventuellement suivie d'au moins une étape de boues activées aérobies dans un réacteur (E). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que au moins un des réacteurs est complété par au moins un séparateur final (Y), et les boues concentrées sortant du séparateur final sont recyclées au moins en partie à l'entrée de l'hydrolyse biologique et/ou de l'hydrolyse enzymatique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour l'hydrolyse enzymatique, on utilise des lipases, phospholipases, estérases , protéases, ou des cocktails d'enzymes BM31 et DP60 (de la société Realco). 10. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier réacteur (A) qui reçoit les effluents provenant directement d'une source, notamment une usine agroalimentaire, pour un traitement par hydrolyse biologique, suivi d'un séparateur (X), en particulier par flottation, ou décantation, ou décantation lamellaire, ou centrifugation, qui fournit en sortie des boues graisseuses dirigées vers un second réacteur (F) pour un traitement par hydrolyse enzymatique, et des eaux claires ou sous-nageants dirigés vers un troisième réacteur (B) pour un traitement biologique. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (12a) prévue entre la sortie du second réacteur (F) et le premier réacteur (A) pour un recyclage d'au moins une partie de l'effluent traité par hydrolyse enzymatique dans le second réacteur (F).