WO2012104330A1 - Installation et procede de traitement d'un effluent liquide comprenant une methanisation, un traitement biologique, une digestion de boues methanisees et de boues biologiques, et une methanisation de boues digerees - Google Patents

Installation et procede de traitement d'un effluent liquide comprenant une methanisation, un traitement biologique, une digestion de boues methanisees et de boues biologiques, et une methanisation de boues digerees Download PDF

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Definitions

  • the field of the invention is that of the treatment of effluents with a view to their purification.
  • the invention more specifically finds application particularly in the field of treatment of urban or industrial wastewater effluents.
  • a technique commonly used to purify this type of effluent 10 consists, with reference to FIG. 1, in conveying it in pretreatment means 11.
  • These pretreatment means 1 1 generally comprise screening means, desanding means, de-oiling means, and a UASB methanization reactor (for Upflow Anaerobic Sludge Blanket in English).
  • the implementation of these pretreatment means 1 1 leads to the production of primary sludge 12, flared biogas and a pretreated effluent.
  • the latter depending on the type of upstream treatment, is routed to biological treatment means 13 comprising for example an aerobic activated sludge reactor, a biofilter, biodisks, lagoons ...
  • the effluent from the biological treatment means 13 is introduced into a decanter 14.
  • the implementation of the decanter 14 allows to produce a treated effluent 15 which can be routed to a subsequent treatment or rej éé in the natural environment. It also leads to the production of biological sludge.
  • a first portion 16 of the biological sludge is recirculated upstream of the biological treatment means 1 3 to regulate sludge concentration and possibly in the UASB reactor.
  • a second portion 17 biological sludge is directed with the primary sludge 12 to treatment means 18 whose implementation leads to thicken or dehydrate sludge.
  • Sludge treated 19 are then generally oriented towards agronomic valorization sectors.
  • UASB technique allows cutting down, at low energy cost, about 50 to 80% of the COD contained in the effluent to be treated.
  • the invention particularly aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • Another object of the invention is to implement such a technique that allows, in at least one embodiment, to increase the production of biogas compared to the techniques of the prior art.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a technique that can be implemented in many regions of the world, including that in which the temperature of the effluent to be treated is continuously or seasonally below 15 ° C.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a technique that can be implemented in a relatively small footprint and is simple, reliable and inexpensive.
  • a liquid effluent treatment process whose temperature is between 5 and 15 ° C, which according to the invention comprises: a step of methanization of said effluent within a methanizer producing biogas, methanized sludge and a methanized effluent; a step of biological treatment of said methanized effluent within a biological treatment zone producing biological sludge and a treated effluent;
  • the invention is based on a completely original technique for treating a liquid effluent comprising anaerobic digestion of the effluent within a methanizer, a biological treatment of the methanized effluent from the methanizer, a sludge extraction. thickened biologics from biological treatment, anaerobic digestion of at least a portion of the methanized sludge and thickened organic sludge, and recirculation of at least a portion of the sludge digested to the methanizer.
  • the digested sludge 27 is then reintroduced into the methanizer 21.
  • this implementation may make it possible to increase the reduction in the COD content of the effluent to be treated, to reduce the volume of sludge produced, to improve the stability and the decantability of the sludge produced, to increase the production of biogas.
  • the attention of the reader is however drawn to the fact that the effectiveness of such an implementation to treat effluents at low temperature, that is to say at a temperature below 15 ° C, remains to be demonstrated.
  • the inventors have, under these conditions, sought a technical solution that would make it possible to implement, at low temperature, an effluent treatment technique incorporating an anaerobic digestion, the high temperature implementation of which is known to have the advantage of enabling remove the COD content of the effluent to be treated satisfactorily.
  • Recirculating at least a portion of the biological sludge in the digester is contrary to the prior art of a person skilled in the art who, in an installation of the type illustrated in FIG. 1, never employs a digester for treat biological sludge whereas anaerobic digestion is already implemented during the anaerobic digestion.
  • the implementation of a technique according to the invention makes it possible to reduce the volume of the digester. Indeed, the integration of the technique of N. Mahmoud in an installation of the prior art according to Figure 1 leads to implement an installation according to Figure 4, the volume of the digester is 1.3 times lower than that of the methanizer, while the implementation of the technique according to the invention can lead to implement a digester whose volume is between 3 and 9 times lower than that of the methanizer.
  • this technique reduces the overall production of sludge.
  • the sludge produced is digested in two different modes.
  • some sludge that is insensitive to one of the modes of digestion will be more to the other.
  • recirculation of sludge to the methanizer allows the latter to be inoculated with active anaerobic biomass from the digester.
  • This biomass, which is active requires no maturation time to act within the methanizer. This recirculation therefore contributes to increasing the yield of the anaerobic digestion.
  • the use of the technique according to the invention thus makes it possible to increase the solubilization of the organic fraction of the sludge, which contributes, on the one hand, to reducing sludge production and, on the other hand, to increasing the production of sludge. biogas.
  • the particulate organic fraction of the liquid effluents to be treated is difficult to kill by psychrophilic methanization at low temperature.
  • the solubilization of this organic fraction is improved by the supply of mesophilic anaerobic sludge from the digester. This makes it possible to overcome the yield limits of low temperature methanation.
  • the technique according to the invention thus makes it possible to effectively treat an effluent whose temperature is between 5 and 15 ° C.
  • said digestion is of the mesophilic or thermophilic type.
  • said methanation is of the psychrophilic or mesophilic type.
  • the modes of operation of digestion and methanation can thus be chosen advantageously depending on the nature of the effluent to be treated. If the effluent to be treated is an urban waste water, methanation will be preferentially psychrophilic and mesophilic digestion, whereas if the effluent to be treated is an industrial wastewater, methanation and digestion will be preferentially mesophilic.
  • the thermophilic regime will be applied only to sludge digesters and according to local parameters such as effluent temperature and / or implantation constraints. This diet usually reduces the volume of the digester. It is however more energy consuming.
  • said biological treatment step comprises an aerobic biological treatment step.
  • the aerobic biological treatment may for example implement activated sludge, a biofilter, biodisks, a sequenced biological reactor (SBR) ...
  • SBR sequenced biological reactor
  • Anaerobic digestion reduces approximately 50 to 70% of the COD of the effluent to be treated. Aerobic biological treatment removes the residual COD contained in the methanized effluent in order to reach acceptable discharge standards for the natural environment. Thus, downstream of the biological treatment, the total reduction of the COD and the MES is greater than 95%, the reduction of the MES being obtained by separating the biological sludge from the treated effluent.
  • the biological treatment may also make it possible to eliminate at least part of the nitrogen (for example by thorough nitrification) and / or phosphorus contained in the effluent to be treated and which has not been removed by the methanation.
  • said biological treatment step comprises a biological treatment step of anoxic type.
  • the implementation of such anoxic biological treatment step can eliminate at least a portion of the nitrogen and / or phosphorus contained in the effluent to be treated that has not been removed by the biological treatment. aerobic.
  • Phosphorus can also be removed at least partly by physico-chemical route by addition of ferric chloride or equivalent reagent.
  • the biological treatment zone will include means for separating the biological sludge from the treated effluent. These means may for example include a decanter, a membrane block, a float, filter discs, etc.). Biological sludge separated from the treated effluent can typically be thickened before being extracted. As an example, in the case of a settling tank, the thickened organic sludge will be extracted in the lower part of the settling tank, in the case of a membrane block, the biological sludge will be collected by backwashing ... the sludge thickening allows to preconcentrate them before recirculating them.
  • a process according to the invention preferably comprises a step of recirculating at least a portion of said thickened biological sludge upstream of the biological treatment zone which will comprise, for example, a biologic reactor under aerobic or anoxic conditions (for example a denitrification reactor). It can therefore be airy or not.
  • a method according to the invention advantageously comprises a step of controlling the recirculation flow rate of digested sludge in said methanizer, a step of controlling the recirculation rate of the methanized sludge in said digester, and a step of controlling the extraction rate of said sludge. digested.
  • the recirculation and extraction fines will preferably be controlled to maintain the sludge concentration in said methanizer and digester respectively between 10 and 100 gMVS / L and 30 and 100. gMVS / L according to the temperature of said effluent to be treated.
  • the abbreviation MVS stands for Volatile Suspended Matter.
  • Such an implementation can treat an effluent whose temperature is between 5 and 15 ° C in a small footprint by maximizing the production of biogas and decreasing the production of sludge.
  • the present invention also relates to an effluent treatment installation, said installation comprising:
  • a methanizer comprising an inlet for said effluent, a biogas outlet, a methanized sludge outlet and a methanized effluent outlet;
  • biological treatment means comprising an inlet for said methanized effluent, and a biological sludge outlet;
  • digestion means comprising a first inlet cooperating with methanized sludge recirculation means, a second inlet of thickened biological sludge, a biogas outlet and a digested sludge outlet;
  • Such an effluent treatment plant preferably comprises means for regulating said recirculation means and extraction means.
  • said methanizer may be of the UASB or HUSB or AnMBR type, that is to say an anaerobic membrane bioreactor or Anaerobic Membrane Bio Reactor in English).
  • FIGS 1 and 2 illustrate diagrams of two types of liquid effluent treatment plant according to the prior art
  • FIG. 3 illustrates the diagram of an effluent treatment plant liquid according to the invention
  • FIG. 4 illustrates the schematic of an effluent treatment plant comprising a UA SB methaneurizer and a communicating C SR stelige;
  • FIG. 5 illustrates the diagram of a variant of an installation according to the invention implementing an AnMBR type methanizer in place of a UASB methanizer.
  • the general principle of the invention is based on a completely original technique for treating a liquid effluent comprising a methanization of effluent within a methanizer, a biological treatment of methanized effluent from the methanizer, an extraction of thickened biological sludge. from the biological treatment, anaerobic digestion of at least a portion of the methanized sludge and thickened organic sludge, and recirculation of at least a portion of the sludge digested to the methanizer.
  • FIG. 3 an embodiment of a treatment plant for a liquid effluent according to the invention is presented.
  • such an installation comprises a pipe for supplying an effluent to be treated 30.
  • This pipe 30 opens at the inlet of pre-treatment means.
  • the pretreatment means comprise screening means, grit removal and deoiling 31, and a methanizer 32.
  • the methanizer 32 is of the type of expanded anaerobic sludge (or UASB for Upflow Anaerobic Sludge Blanket in English language) intended to operate in psychrophilic mode. In a variant, it can operate in mesophilic mode. In another variant, it may be a type of methanizer expanded hydrolyzed sludge bed (or HUSB for Hydrolysis Upflow Sludge Blanket in English).
  • the methanizer 32 houses a triphasic separator. It comprises a biogas outlet 321 which is connected to processing, storage and recovery means (not shown) whose implementation can allow the production of heat and electricity.
  • the methanizer 32 also comprises a methanized effluent outlet 33 and a methanized sludge outlet 322.
  • the outlet of methane effluent 33 is connected to the inlet of a biological reactor 34 with activated biological sludge.
  • other biological treatment techniques may be implemented, for example fixed culture technologies such as Biostyr®, MBBR AnoxKaldnes® or other fixed or hybrid cultures, membrane or disk bioreactor, biological reactor sequential...
  • This biological reactor 34 houses aeration means (not shown). It comprises an outlet which is connected by a pipe 35 to the inlet of a settler 36.
  • the settler 36 comprises a treated effluent outlet 37 and a thickened biological sludge outlet 38.
  • other liquid / solid separation means may be used, such as, for example, aeroflotation means, means filtration ...
  • the outlet 38 is connected by a pipe to a T-shaped connection means 39.
  • This T-shaped connection means 39 is connected to a pipe 40 which opens into the outlet 33 upstream of the biological reactor 34.
  • the T-shaped connection means 39 is also connected to a pipe 41 which opens into a pipe means. thickening or dewatering of sludge organic.
  • thickening or dehydration 42 comprise in this embodiment a thickener.
  • they may for example include a dewatering device, pressing, centrifugation ...
  • the means for thickening or dewatering biological sludges comprise a thickening juice outlet (not shown) which opens upstream of the biological reactor 34. It also comprises a thickened biological sludge outlet which is connected by a pipe 43 to the entry of an anaerobic digester 44.
  • the anaerobic digester 44 is of the permanently stirred type (or CSTR for
  • Continuously Stirred Tank Reactor in English and is expected to work in mesophilic mode.
  • it can operate in thermophilic mode. It comprises a biogas outlet 441 which is connected to the processing, storage and recovery means. It further comprises a digested sludge outlet which is connected to the methanizer 32 via a pipe 45. A digested sludge extraction pipe 47 is connected to the pipe 45.
  • the outlet of methanized sludge 322 is connected to the digester 44 via a pipe 46.
  • the biogas treatment means may be of the desiccant, desulfurization or siloxane removal type.
  • the biogas storage means may be of the compression type to allow the supply of a boiler or a cogenerator.
  • the recovery means may include a boiler or a cogenerator.
  • the biogas produced within the methanizer 32 and the digester 44 comprises approximately 70% methane and 30% carbon dioxide. It can be used to produce the heat necessary to heat the digester 44 and the electricity used for example to implement the effluent treatment plant. In case of presence of troublesome products (sulphide of hydrogens, siloxanes ...), it will be able to be the subject of a specific treatment before being valorized. In case of large production, it may be exported outside installation.
  • This installation also comprises a regulation system.
  • This regulation system comprises measuring means:
  • the control system comprises valves and / or variable flow rate pumps 48, 49 and 50 which respectively make it possible to modify the flow rate of methanized sludge introduced into the digester 44, to modify the flow rate of digested sludge introduced into the methanizer 32 and to modify the flow of digested sludge extracted from the installation.
  • the control system also comprises control means to which the measuring means and the valves 48, 49, 50 are connected.
  • the mass load applied to the methanizer 32 must be between
  • the pH of the effluent to be treated must be between 6.5 and 7.5.
  • control means control the opening of the valves 48, 49, 50 to adjust the flow rates for recirculation and extraction of sludge in such a way that the concentration of sludge in the digester 44 is included between 30 and 100g MVS / L and that the concentration of sludge in the methanizer 32 is between 10 and 100g MVS / L.
  • the extraction of the sludge from one or both reactors 32, 44 makes it possible to adapt the mass loads in each reactor so that they remain in the abovementioned intervals when the recirculation of sludge between the reactors does not occur. does not compensate for sudden changes in temperature and incoming charge.
  • the objective of the regulations is to maintain the methanizer and the digester under optimal conditions of methanogenic activity in order to reduce the production of sludge and increase the production of biogas.
  • the digester is always regulated at the optimum temperature, but not the methanizer. Therefore, it must be inoculated continuously with biomass from the digester in order to benefit from optimal methanogenic activity.
  • the treatment of an effluent by means of an installation as described above is to convey via the pipe 30 this effluent to the pretreatment means 31 in such a way that it is rid of sands and oils that 'it contains.
  • the desalted and deoiled effluent is then introduced into the UASB type reactor 32 in which it undergoes anaerobic digestion.
  • the methanizer 32 will operate in psychrophilic mode, at ambient temperature of the waste water without heating, with a hydraulic residence time of the effluents of between 2 and 15 hours, advantageously between 2 and 12 hours, to ensure their methanisation.
  • the methanizer 32 will operate in mesophilic mode, at a temperature of around 37 ° C., with a sludge hydraulic residence time of a few hours depending on the volume load applied, which is generally between 5 and 30 ° C. Kg COD / m 3 / d.
  • This methanisation leads to the production of biogas that is stored, treated and upgraded, and a pre-treated effluent.
  • the methanized effluent is introduced into the biological treatment means 34 in which it undergoes a biological treatment.
  • This biological treatment leads to the production of biological sludge.
  • the biological sludge is conveyed to the decanter 36, the implementation of which allows the production of a treated effluent 37 and thickened organic sludge 38.
  • the thickened organic sludge is partly recirculated at the inlet of the biological treatment means 34. This recirculation makes it possible to regulate conventionally the concentration of sludge in the biological treatment means 34.
  • the remainder of the thickened biological sludge is introduced into the means sludge treatment 42.
  • the biological sludge is dehydrated and / or thickened before being introduced into the reactor 44 of the CSTR type.
  • the thickened organic sludge is mixed in this reactor 44 with the sludge from the methanizer 32. This mixture of sludge undergoes anaerobic digestion inside the digester 44.
  • the digester 44 will generally operate in mesophilic mode at a temperature between 35 and 37 ° C, with a sludge hydraulic residence time of between 15 and 20 days.
  • This digestion leads to the production of biogas that is stored, processed and upgraded, and digested sludge.
  • NGL global nitrogen
  • total phosphorus 10 mg / L;
  • a first series of tests consisted in treating such an effluent in an installation such as that illustrated in FIG. 4.
  • This installation differs from that illustrated in FIG. 1 because the methanized sludge 12 leaving the methanizer 11 are recirculated in a CSTR 40 type digester whose implementation leads to the formation of biogas 42 and digested sludge which are partly recirculated 43 in the methanizer 11 and partly extracted 41.
  • a portion of the biological sludge thickened and some of the digested sludge is extracted directly from the facility.
  • the pretreatment was of UASB methanization type with a hydraulic residence time of 8.5 hours at 20 ° C, the biological treatment by activated sludge with high load, mesophilic CSTR digestion in recirculation with the UASB reactor.
  • a second series of tests consisted in treating such an effluent in an installation according to the invention such as that illustrated in FIG. 3.
  • the pretreatment was of the UASB methanization type with a residence time of 8.5 hours at 20 ° C, the biological treatment by activated sludge at high load, mesophilic CSTR digestion treating both the fresh sludge from the decantation and the biological sludge, with implementation of reciruclation between the UASB reactor and the CSTR digester.
  • the volume of the CSTR reactor is 1.3 times lower than that of the UASB reactor.
  • the decrease in the overall sludge production is partly due to the fact that sludge retention times in the anaerobic phase are cumulative: ie 30 to 60 days in the UASB and 10 to 20 days in the CSTR, so a total sludge residence time under anaerobic conditions of 40 to 80 days over the entire wastewater treatment plant.
  • NGL global nitrogen
  • PT total phosphorus: 10 mg / L; Temperature 20 ° C.
  • NGL global nitrogen
  • total phosphorus 10 mg / L;
  • Hydraulic residence time 20 days;
  • the implementation of the recirculation regulation according to the invention In this case, it is possible to reduce the recirculation flow rate between the CSTR and the UASB and to increase the sludge extraction rate of the CSTR from 200 to 400 m 3 / h. This makes it possible to return to an acceptable MVS concentration in the CSTR while maintaining the control instructions for the reactors.
  • the ratio between the volume of the CSTR and the volume of the UASB is between 3 and 9, and preferably between 4.5 and 5.5, which renders the technique according to the invention economically viable;
  • a technique according to the invention can alternatively implement a UASB or HUSB type methanizer.
  • the average residence time of the effluents to be treated is about 2.5 hours in a HUSB type reactor, and about 8 hours in a UASB type reactor.
  • the average yield in terms of total COD abatement is about 43% within a HUSB, and about 50% and can reach 70% optimum operation within a UASB.
  • the average return in terms of SSM reduction is about 83% in a HUSB, and more than 80% in a UASB.
  • the means for aerobic treatment of methanized effluents leaving a UASB are less bulky than those used to treat methanized effluents from a HUSB.
  • Particulate COD is partially solubilized and converted to volatile fatty acids (VFA) in a HUSB. It is partially solubilized and transformed into biogas within a UASB. In other words, the denitrification of methanized effluents from a HUSB is better than that of methanized effluents from a UAS
  • a HUSB methanizer produces little biogas. It nevertheless transforms a portion of the COD into AGV, the presence of which in the methanized effluents from the HUSB tends to improve their subsequent denitrification. In addition, considering the recirculation between the two anaerobic reactors, some of the AGV is still transformed into biogas. In the end, the implementation of a HUSB methanizer in substitution of a UASB reactor in a technique according to the invention leads to produce a globally satisfactory amount of biogas. In addition, the volume of a HUSB methanizer is about three times lower than that of a UASB methanizer, which may be of economic interest.
  • the methanizer 32 UASB or HUSB is replaced by a methanizer type AnMBR (Anaerobic Membrane Bio Reactor).
  • This methanizer 32 thus consists of an anaerobic membrane bioreactor.
  • Such anaerobic membrane bioreactor may for example be that marketed by the Applicant under the name MEMTHA E ®.
  • such a methanizer 32 comprises an anaerobic bioreactor 320 as well as a membrane separation unit 323.
  • the bioreactor 320 comprises an effluent inlet to be treated in which a pipe for supplying an effluent to be treated, possibly pre-treated beforehand, 51 opens. It also comprises a biogas outlet 321, an outlet for methanized sludge 322 and an outlet for effluent 324.
  • the effluent outlet 324 opens at the inlet of the membrane separation unit 323.
  • This membrane separation unit 323 houses micro or ultrafiltration filtration membranes of mineral type, for example ceramic, or organic. It comprises a methanized effluent outlet 33 which opens into the biological treatment zone 34. In this case, methanized effluent is a permeate. It also comprises a retentate outlet connected to a recirculation pipe 325, which opens into the bioreactor 320.
  • the outlet of methanized sludge 322 from the bioreactor 320 is connected to a pipe 46 which opens into the digester 44.
  • the bioreactor 320 further comprises a digested sludge inlet into which a pipe 45 opens, the inlet of which is connected to the outlet of the digester 44.
  • the desalted and deoiled effluent from the pretreatment means 31 is introduced into the bioreactor 320 of the methanizer 32. It undergoes anaerobic digestion.
  • the bioreactor 320 will operate in psychrophilic mode, at ambient temperature of the wastewater without heating, with a hydraulic residence time of the effluents of between 2 and 15 hours and advantageously between 2 and 12 hours to ensure their methanation.
  • the bioreactor 320 will operate in mesophilic mode, at a temperature of around 37 ° C, with a sludge hydraulic residence time of a few hours depending on the applied volume load which is generally between 5 and 30 ° C. Kg COD / m 3 / d.
  • the methanized effluent generated during this methanation is introduced into the membrane separation unit 323, the implementation of which leads to the production of a methanized permeate and a concentrate.
  • the concentrate is recirculated in the bioreactor 320 via line 325.
  • the effluent or methanized permeate is introduced via line 324 into the biological treatment means 34 in which it undergoes a biological treatment.
  • Methanized sludges from the bioreactor 320 are introduced into the digester 44 via the pipe 46.
  • the sludge mixture present in the digester 44 undergoes anaerobic digestion.
  • the digester 44 will generally operate in mesophilic mode at a temperature between 35 and 37 ° C, with a sludge hydraulic residence time of between 15 and 20 days. Digested sludge from digester 44 is introduced into bioreactor 320 via line 45.
  • the conventional treatment of an effluent by methanization type AnMBR does not produce a good result when the temperature thereof is less than 15 ° C.
  • the implementation of the technique according to the invention allows an efficient treatment by anaerobic digestion of the AnMBR type of an effluent at low temperature, that is to say whose temperature is less than or equal to 15 ° C. and in particular between 5 ° C and 15 ° C.

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Abstract

L'invention concerne un 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 biologique 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), et une étape d'extraction d'au moins une partie des boues digérées.

Description

INSTALLATION ET PROCEDE DE TRAITEMENT D'UN EFFLUENT LIQUIDE COMPRENANT UNE METHANISATION, UN TRAITEMENT BIOLOGIQUE, UNE DIGESTION DE BOUES METHANISEES ET DE BOUES BIOLOGIQUES, ET UNE METHANISATION DE BOUES DIGEREES
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 œuvre 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 1 1 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 œuvre de ces moyens de prétraitement 1 1 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 œuvre du décanteur 14 permet de produire un effluent traité 15 qui peut être acheminé vers un traitement ultérieur ou rej eté 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 bi ologique 1 3 pour y régul er la concentrati on 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 œuvre conduit à épaissir ou déshydrater les boues. Les boues traitées 19 sont ensuite généralement orientées vers des filières de valorisation agronomique.
La mise en œuvre 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 œuvre 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 saisonnièrement 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre dans de nombreuses régions du monde, y compris celle dans lesquelles la température des effluents à traiter se situe continuellement ou saisonnièrement 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 œuvre 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 dont la température est comprise entre 5 et 15°C, qui selon l'invention 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) Anaérobie sewage treatment in one-stage UASB and a combined UASB-digester System. Seventh International Water Technology Conférence 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 26 dont la mise en œuvre permet de produire du biogaz et des boues digérées 27. Les boues digérées 27 sont ensuite réintroduites dans le méthaniseur 21. Ils indiquent que cette mise en œuvre 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 œuvre 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 1 1 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 œuvre. Ils se sont alors aperçu qu'une installation de ce type nécessitait la mise en œuvre d'un digesteur dont le volume est tellement important, que sa mise en œuvre 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 œuvre, à basse température, une technique de traitement d'effluent intégrant une méthanisation dont on sait que la mise en œuvre 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 œuvre 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 œuvre de digesteur pour traiter les boues biologiques considérant que la digestion anaérobie est déjà mise en œuvre au cours de la méthanisation.
La mise en œuvre 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 œuvre 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 œuvre de la technique selon l'invention peut conduire à mettre en œuvre un digesteur dont le volume est entre 3 et 9 fois inférieur à celui du méthaniseur.
La mise en œuvre 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 mi se en œuvre de la technique selon l ' invention permet donc d'accroître la solubilisation de la fraction organique parti culaire 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 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 œuvre 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 œuvre 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. A 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 préconcentrer avant de les recirculer.
Un procédé selon l'invention comprend de manière préférée une étape de recirculation d'au moins une partie desdites boues biologiques épaissies en amont de la zone de traitement biologique qui comprendra par exemple un réacteur biol ogique sous aérobie ou sous anoxi e (par exemple un réacteur de dénitrification). Il pourra donc être aéré ou non.
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 digesteur, et une étape de contrôle du débit d'extraction desdites boues digérées.
Lesdi ts d éb i ts d e reci rcul ati on et d ' extracti on s eront al ors 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. L'abréviation MVS signifie Matières Volatiles en Suspension.
Une telle mise en œuvre 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 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.
Selon des variantes avantageuses, ledit méthaniseur pourra être de type UASB ou HUSB ou AnMBR, c'est-à-dire un bioréacteur anaérobie à membranes ou Anaérobie Membrane Bio Reactor en langue anglaise).
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 m éthani seur UA SB et un dige steur C S TR en communication ;
la figure 5 illustre le schéma d'une variante d'une installation selon l'invention mettant en œuvre un méthaniseur de type AnMBR en lieu et place d'un méthaniseur UASB.
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 effluent au sein d'un méthaniseur, un traitement biologique de 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 œuvre 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 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 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 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 de biogaz 321 qui est reliée à des moyens de traitement, de stockage et de valorisation (non représentés) dont la mise en œuvre 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 œuvre comme par exemple les technologies à cultures fixées comme Biostyr®, MBBR AnoxKaldnes® ou autres à cultures fixées ou hybrides, 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 œuvre, 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 œuvre 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 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 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.
A 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 méthanogène de la biomasse anaérobie est directement dépendante de la température, comme l'exprime le tableau ci-dessous :
Figure imgf000016_0001
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 méthanogène 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 méthanogène 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 méthanogène). 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 15 heures, avantageusement 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 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 œuvre permet la production d'un effluent traité 37 et de boues biologiques épaissies 38.
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 et/ou épaissies avant d'être introduites dans le réacteur 44 de type CSTR.
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 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.
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
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 Γ effluent traité au cours de ces essais étaient les suivantes :
Débit : 250000 m3/j ;
Concentration en DCO : 500 mg/L ;
Concentration en DB05 : 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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
UASB / débit entrée % 23 3
Taux de recirculation
CSTR / débit entrée % 22 0,3
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 œuvre de la technique selon l'invention permet de produire d'avantage d'énergie qu'elle n'en consomme.
Figure imgf000020_0001
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 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 ; 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 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 œuvre d'une technique selon l'invention engendre une consommation électrique faible qui conduit à un bilan énergétique pouvant être positif.
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 :
Débit : 250000 m3/j ;
Concentration en DCO : 500 mg/L ;
Concentration en DB05 : 245 mg/L ;
Concentration en MES : 240 mg/L ;
NGL (azote global) : 40 mg/L ;
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 œuvre de la régulation de recirculation :
- Débit : 250000 m3/j ;
Concentration en DCO : 1000 mg/L ;
Concentration en DB05 : 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 œuvre 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.
Figure imgf000023_0001
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 œuvre de manière autonome sur le plan énergétique (qui est par exemple impossible lors de la mise en œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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. Variantes
Comme cela a été indiqué précédemment, une technique selon l'invention peut alternativement mettre en œuvre un méthaniseur de type UASB ou de type HUSB.
A 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 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 œuvre pour traiter des effluents méthanisés 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.
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 œuvre 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.
Tant la mise en œuvre d'un réacteur UASB que celle d'un réacteur HUSB dans une technique selon l'invention est donc intéressante.
On présente, en référence à la figure 5, une variante d'une installation selon l'invention. Seules les différences entre cette variante et le mode de réalisation précédemment décrit sont ici détaillées.
Selon cette variante, le méthaniseur 32 UASB ou HUSB est remplacé par un méthaniseur de type AnMBR (Anaerobic Membrane Bio Reactor). Ce méthaniseur 32 est donc constitué d'un bioréacteur anaérobie à membranes. Un tel bioréacteur anaérobie à membranes peut par exemple être celui commercialisé par la Demanderesse sous la dénomination MEMTHA E ®.
Comme cela est représenté sur cette figure 5, un tel méthaniseur 32 comprend un bioréacteur sous anaérobie 320 ainsi qu'une unité de séparation membranaire 323.
Le bioréacteur 320 comprend une entrée d'effluent à traiter dans laquelle débouche une canalisation d'amenée d'un effluent à traiter éventuellement préalablement prétraité 51. Il comprend également une sortie de biogaz 321, une sortie de boues méthanisées 322 et une sortie d'effluent 324.
La sortie d'effluent 324 débouche à l'entrée de l'unité de séparation membranaire 323.
Cette unité de séparation membranaire 323 loge des membranes de filtration de micro ou d'ultrafiltration de type minérale, par exemple céramique, ou organique. Elle comprend une sortie d'effluent méthanisé 33 qui débouche dans la zone de traitement biologique 34. Dans ce cas, effluent méthanisé est un perméat. Elle comprend également une sortie de retentat reliée à une canalisation de recirculation 325, laquelle débouche dans le bioréacteur 320.
La sortie de boues méthanisées 322 du bioréacteur 320 est reliée à une canalisation 46 qui débouche dans le digesteur 44.
Le bioréacteur 320 comprend en outre une entrée de boues digérées dans laquelle débouche une canalisation 45 dont l'entrée est reliée à la sortie du digesteur 44.
Le traitement d'un effluent au moyen d'une installation selon la variante qui vient d'être décrite va à présent être présenté. Seules les principales différences entre ce traitement et celui mettant en œuvre une installation selon le mode de réalisation décrit précédemment seront détaillées ici.
Dans ce cas, l'effluent dessablé et déshuilé provenant des moyens de prétraitement 31 est introduit dans le bioréacteur 320 du méthaniseur 32. Il y subit une méthanisation.
Pour le traitement des eaux résiduaires urbaines, le bioréacteur 320 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 15 heures et avantageusement entre 2 et 12 heures pour assurer leur méthanisation.
Pour le traitement des eaux résiduaires industrielles, le bioréacteur 320 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.
L'effluent méthanisé généré au cours de cette méthanisation est introduit dans l'unité de séparation membranaire 323 dont la mise en œuvre conduit à la production d'un perméat méthanisé et d'un concentrât.
Le concentrât est recirculé dans le bioréacteur 320 via la canalisation 325. L'effluent ou perméat méthanisé est introduit via la canalisation 324 dans les moyens de traitement biologique 34 au sein desquels il subit un traitement biologique.
Des boues méthanisées provenant du bioréacteur 320 sont introduites dans le digesteur 44 via la canalisation 46.
Le mélange de boues présent dans le digesteur 44 y subit une digestion anaérobie.
Pour le traitement des eaux résiduaires urbaines et industrielles, le 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. Des boues digérées provenant du digesteur 44 sont introduites dans le bioréacteur 320 via la canalisation 45.
Le traitement classique d'un effluent par méthanisation de type AnMBR ne permet pas de produire de bon résultat lorsque la température de celui-ci est inférieure à 15°C. La mise en œuvre de la technique selon l'invention autorise un traitement efficacement par méthanisation de type AnMBR d'un effluent à basse température, c'est-à-dire dont la température est inférieure ou égale à 15°C et notamment comprise entre 5°C et 15°C.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'effluent liquide dont la température est comprise entre 5 et 15°C, 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 ladite digestion est de type mésophile ou thermophile.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite méthanisation est de type psychrophile ou mésophile.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type aérobie.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite étape de traitement biologique comprend une étape de traitement biologique de type anoxie.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de recirculation d'au moins une partie desdites boues biologiques épaissies en amont de ladite zone de traitement biologique (34).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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.
8. Procédé selon la revendication 7, 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.
9. 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 ledit méthaniseur (32) ;
des moyens d'extraction (47) d'au moins une partie desdites boues digérées.
10. Installation de traitement d'effluent selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de régulation desdits moyens de recirculation (46, 45) et des moyens d'extraction (47).
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit méthaniseur est de type UASB ou HUSB.
12. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit méthaniseur est de type AnMBR.
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CN108264998A (zh) * 2018-01-29 2018-07-10 世本（天津）环境技术有限公司 通过污泥回流作用优化餐厨垃圾厌氧处理的系统及方法

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