Épuration des eaux : une station up to date ( Partie II)

Il y a presque un an, je visitais la station de traitement des eaux usées Ovilléo à Marquette-lez-Lille, une installation récente (inaugurée en septembre 2015) et l’une des plus grandes stations d’épuration de la région des Hauts de France.
La présentation détaillée, à retrouver ici, a permis de mettre l’accent sur les différentes étapes du traitement : la pollution est combattue en éliminant les éléments du plus grossier au plus fin par une série de processus et fait intervenir un prétraitement, un traitement primaire, un traitement biologique, un traitement final (traitement tertiaire).
J’avais prévu de développer davantage deux procédés particulièrement innovants, l’un visant à optimiser le traitement biologique des effluents liquides, l’autre permettant de maximiser la production de biogaz. Ils ont tous deux été développés par Veolia

Une épuration des effluents performante : optimisation de l’environnement des bactéries

Les protéines, sucres, graisses présents dans l’eau sous forme dissoute doivent être éliminés car ils sont susceptibles de consommer de l’oxygène (on parle alors de DCO et DBO) et donc d’appauvrir les ressources vitales de la faune aquatique.
Le traitement biologique consiste à mettre l’eau à épurer au contact de micro-organismes (bactéries) qui vont se développer en consommant la pollution dissoute (pollution organique azotée, carbonée et phosphorée). Chaque espèce se développe selon des conditions environnementales bien précises : la température,  la présence ou non d’oxygène ou de sources d’oxygène (autres substances oxydantes), la possibilité de nidification, le temps de contact eau/bactéries …

Modes d’action lors d’un traitement biologique

Les bactéries vont tirer profit de la pollution (carbonée, azotée -aussi besoin de phosphates- dans les sucres, acides gras, acides aminés) à la fois pour y puiser de l’énergie (le substrat est réduit) et pour y extraire des ressources nutritives.
La pollution carbonée est éliminée en favorisant la production de biomasse : il faut pour cela de l’oxygène, de l’azote sous forme ammoniacal (NH4+); les bactéries oxydent les composés organiques carbonés et génèrent du CO2 et de la biomasse bactérienne (boues en excès). Cette réaction permet donc d’ores et déjà de consommer une partie de la pollution azotée (on parle d’assimilation).

La pollution azotée (sous forme organique, ammoniacale, ou de nitrites/nitrates) est combattue par des réactions d’ammonification, de nitrification et de dénitrification. Chacune de ces actions étant liée à la présence d’espèces particulières, aux conditions de vie et de développement spécifiques, il est souhaitable, pour optimiser le résultat, de prévoir différentes zones dont les paramètres sont parfaitement ajustés.
Ainsi, l’ammonification consiste par l’action de la biomasse à transformer une grande partie de l’azote organique en ion ammonium. Mais ce dernier est toxique pour les poissons : il doit donc être éliminé.

Les bactéries Nitrosomonas transforment l’ammoniac en nitrites, puis les bactéries Nitrobacter dégradent les nitrites en nitrates : il s’agit d’une nitrification en milieu aéré (aérobie). Pour que ce processus puisse être performant, les bactéries nitrifiantes doivent pouvoir vieillir (elles se développent lentement) : il faut pour cela favoriser leur nidification (on parle de bactéries fixées).

Mais les nitrates qui favorisent le développement des algues doivent également être limités : des bactéries dénitrifiantes (Chromobactérium, Pseudomonas, Bacillus) interviennent alors dans un environnement anoxique.  L’azote moléculaire apparaît et est évacué sous forme de bulles.

En ce qui concerne la pollution phosphorée (facteur d’eutrophisation), il est indispensable aux réactions biologiques liées au traitement de la pollution carbonée et azotée. L’alternance de bassins avec stress anoxique avec d’autres où l’oxygène est présent, est favorable : les bactéries placées en conditions d’anaérobie se mettent à consommer 4 fois plus de phosphates quand l’oxygène est de nouveau disponible.

Le procédé Hybas

Ainsi, au sein des bassins de traitement, le procédé HybasTM est mis en place : les bassins sont séparés en 3 parties (zone anoxique, et zones aérobies) ce qui, comme expliqué dans le paragraphe précédent , est favorable à l’optimisation de la dépollution par les différentes familles de bactéries.
Le bassin anoxie se situe en tête de traitement (dénitrification) suivi du bassin aérobie (pour la décomposition de la pollution carbonée et nitrification).
Le gros « plus » du procédé est la présence de bactéries fixées, sur des « chips » (disques perforés de couleur visibles sur la photo) : la nidification des bactéries à croissance lente est alors favorisée avec un biofilm qui se développe sur la surface des supports en plastique, maintenus en suspension par le brassage créé par les bulles d’air.

Maquette pédagogique des 3 zones aux conditions différentes pour le traitement biologique.

Filière Boues : faciliter la fermentation et optimiser la production de biogaz
Généralités
Le traitement de l’eau génère des boues : or celles-ci doivent être gérées soit en les conditionnant soit en les valorisant, tout cela en cherchant à en diminuer le volume pour minimiser l’éventuelle mise en décharge : en général, c’est tout cela à la fois.

Les boues avant digestion.Par AS — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1594616

Rappelons ici le traitement dont font l’objet les boues :
– elles sont « digérées » par des micro-organismes dans des digesteurs (il s’agit ici d’une fermentation qui se produit à 35°C et en défaut d’oxygène).
– la digestion (en défaut d’oxygène) produit ici du biogaz (permettant à la fois l’alimentation de chaudières présentes sur le site, la production électrique et la production de vapeur).

La fermentation a lieu en deux étapes, entre lesquelles le procédé Exelys est mis en oeuvre.
Voyons l’utilité de ce réacteur intermédiaire.

Boues primaires (issues de la décantation) et boues biologiques (issues de l’épuration par voie bactérienne)

En quoi consiste la fermentation des boues ?

Avant de répondre à cette question, posons nous la question préalable : que sont chimiquement parlant les boues ?
Constituées principalement de matière organique (notamment les boues biologiques), de matière minérale (boues primaires), on y trouve des protéines, des lipides (graisses), des sucres complexes (cellulose, amidon…) : bref, de longues chaînes de polymères que les micro-organismes vont s’empresser de casser avec plus ou moins de facilité et sous réserve que les conditions soient réunies.

Enchevêtrement des fibres cellulose

Différentes bactéries vont s’attaquer à la matière organique pour se développer. Elles y puisent carbone et énergie.
En présence d’oxygène (procédé aérobie) : la « découpe » chimique conduit à la production de CO2.
En défaut d’oxygène (procédé anaérobie, les conditions dans un digesteur), les micro-organismes puisent dans leurs réserves et conduisent à la production de méthane CH4 (un sous produit de leur métabolisme et le constituant clé du biogaz).

Mais cette étape n’est pas directe puisqu’elle se décompose en étapes intermédiaires qui mettent en oeuvre différents types de ciseaux (hydrolyse, acidogenèse, acétogenèse, et enfin méthanogenèse) qui raccourcissent peu à peu les longues chaînes présentes dans les molécules organiques.
Juste avant l’apparition du méthane, c’est l’acétate comme composé intermédiaire qui apparaît.

Acétate

Bref, la méthanisation est un processus biologique complexe et la quantité de biogaz produit dépend d’un certain nombre de paramètres. Parmi ceux-ci, l’épaississement des boues, la température, le temps de réaction/temps de séjour, la charge organique.
L’une des étapes les plus compliquées (on parle d’étape limitante) est la première (l’hydrolyse), celle qui s’attaque aux molécules les plus compliquées.
Pour augmenter la conversion des boues en biogaz, l’idée est d’aider le travail des bactéries.

L’intérêt du réacteur Exelys
Pour faciliter la digestion des boues par les bactéries, on va leur faire subir une hydrolyse « thermique » dans un réacteur caractérisé par :
– une température élevée (T= 165 °C) grâce à une introduction de vapeur,
– une pression contrôlée (6-8 bar),
– un temps de séjour optimisé.

L’intérêt est multiple.  :
– les molécules complexes sont découpées,
– les agents infectieux sont neutralisés,
– la rhéologie des boues est modifiée.
Les boues qui en sortent ont alors une meilleure biodégradabilité : elles sont plus accessibles pour les micro-organismes, la conversion en biogaz s’en trouve décuplée et le volume des boues réduit. De plus, les boues moins visqueuses, sont plus faciles à transporter : l’alimentation du digesteur N°2 est donc améliorée.

Grâce au réacteur, la production de biogaz est augmentée de 40 % et la quantité de boues finales séchées et stabilisées est diminuée de 40 %.
Notons, qu’avant le passage dans le réacteur, une étape de centrifugation est requise de façon à diminuer la teneur en eau et donc limiter les besoins en chaleur nécessaire pour la thermolyse.

Une maquette présente dans les locaux d’Ovilleo, les grandes lignes du procédé Exelys.

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