La digestion aérobie
La digestion aérobie met en jeu deux processus parallèles :
- L'assimilation et l'oxydation de la DBO et de la DCO adsorbée ou associée aux boues (primaires principalement).
- L'assimilation du cytoplasme de certaines cellules bactériennes par les autres. On l'appelle également respiration endogène.
La station d'épuration
Les boues provenant du traitement primaire sont majoritaires, le substrat soluble associé est donc déterminant dans le processus de digestion. C'est pourquoi durant un certain temps, qui dépend de la qualité des boues primaires, le processus de respiration endogène est largement minoritaire comparé à la synthèse bactérienne. Il faut alors attendre que le substrat soit assimilé pour que la phase de respiration endogène proprement dite se mette en place et que le taux de matières volatiles (MVS) diminue.
Tableau 1 : Caractéristiques des boues primaires
| pH : | 5,9 – 7,7 |
| DBO₅ (mg/l) : | 70 – 100 |
| DCO (mg/l) : | 290 – 810 |
| MES (mg/l) : | 460 – 11 500 |
| NTK (mg/l) : | 140 – 400 |
Le tableau 2 décrit les flux de boues à traiter et leur origine.
Tableau 2 : Flux de boues à traiter
| Boues primaires : | 5 250 kg/j |
| Boues secondaires : | 600 kg/j |
| Boues prétraitées dans le digesteur : | 703 kg/j |
| Total des boues à digérer : | 6 553 kg/j |
Dopage de la digestion aérobie de la STEP
Les performances de la STEP sont insuffisantes. Le temps de séjour hydraulique ne pouvant être augmenté sans ajout d'ouvrage, une solution pour augmenter le temps de rétention cellulaire sans toucher au temps de séjour hydraulique consiste à augmenter la température du milieu où se produit la réaction ; l'activité bactérienne est ainsi accrue.
Le remplacement de l'aération existante (aérateurs de surface) par un autre système
[Photo : Le digesteur aérobie de la station : il traite l'ensemble des boues de la STEP.]
Élevé (de 90 à 95 %), permet de limiter les remontées de gaz à l'atmosphère, donc de supprimer les émissions de COV à la surface des bassins.
À l'oxygène, l'énergie de brassage n'est que de 22 W/m³, alors qu'elle est de 32 W/m³ à l'air.
La quantité de bulles de gaz émises à l'atmosphère est très faible. La majeure partie de la chaleur émise par l'oxydation biologique est ainsi conservée dans le bassin. On observe ainsi un accroissement de la température par rapport au système à l'air (voir le Graphique 2) accompagné d'une augmentation de la constante de mortalité Kd, donc de l'activité.
Cette augmentation de l'activité se traduit par un accroissement du temps de rétention cellulaire apparent, tout en maintenant le temps de séjour hydraulique identique. La stabilisation de la boue est donc améliorée.
Résultats
Les principaux résultats concernant la réhabilitation aérobie utilisant l'oxygène pur ont permis d'atteindre cet objectif.
Pour cela, quatre équipements OXY-DEP™ 200/100 ont été installés dans l'un des deux digesteurs ; le deuxième digesteur n'étant pas modifié et continuant à fonctionner à l'air avec des aérateurs de surface, dans le but de comparer les performances des ouvrages.
Les premiers essais ont démontré la viabilité du process en n'utilisant en continu que deux équipements, les deux autres étant en réserve. L'ensemble des boues est traité dans un seul digesteur, le second pouvant alors être utilisé comme bassin d'aération supplémentaire.
L'oxygène pur
L'utilisation d'un système fonctionnant à l'oxygène pur apporte les trois avantages principaux suivants :
- La fourniture d'oxygène est régulée en fonction de la demande de la biomasse.
- Le rendement énergétique élevé (5 kg O₂/kW) permet de fournir de très grandes quantités d'oxygène tout en maintenant une énergie de brassage raisonnable.
[Photo : Mise en place d'un skid OXY-DEP™ 200/100 dans l'un des digesteurs de la STEP. Capacité d'oxygénation : 2 500 kg O₂/jour. Puissance absorbée : 18,5 kW.]
[Photo : Graphique 2 : Évolution de la température des digesteurs. Valeurs moyennes hebdomadaires en °C (août - septembre).]
Les résultats de la réhabilitation de la station sont résumés ci-après :
> Températures des digesteurs :Durant la période de fonctionnement en parallèle des digesteurs, la température moyenne de l'ouvrage utilisant l'oxygène pur est de 20 °C plus élevée que celle de l'ouvrage à l'air. Il faut noter qu'une augmentation de 10 °C permet de doubler l'activité bactérienne.
Volume total de digestion 2400 m³
[Photo : Graphique 3 : MES et MVS sortie digesteurs. Valeurs moyennes hebdomadaires en g/L (août - septembre).]
> Siccité :Ainsi que le montre le graphique 5, dès la stabilisation du process, le réacteur fonctionnant à l'oxygène permet d'obtenir une siccité supérieure à celle obtenue à l'air de 7 à 8 %.
[Photo : Graphique 4 : Respiration de la boue.]
> MES et MVS en sortie de digesteur :Le système est en équilibre à partir de la semaine 35 : MES air 32 g/l, MES O₂ 30 g/l, MVS air 18 g/l, MVS O₂ 15 g/l. À partir de la semaine 38, toutes les boues sont traitées dans un seul digesteur à l'oxygène.
> Respiration de la boue :L'analyse du taux de respiration de la boue montre que la boue traitée à l'oxygène pur respire trois fois moins à l'oxygène pur qu'à l'air : 0,025 mg O₂/g contre 0,075.
> Besoin en oxygène :La consommation d'oxygène, relativement élevée au début des essais en raison de la DCO résiduaire à éliminer, se stabilise ensuite autour de la valeur attendue de 2 kgO₂/kgMVS éliminé.
> Énergie :À l'air, l'énergie consommée était de 108 kW pour les deux digesteurs. Après passage à
Volume total de digestion 3400 m³
[Photo : Graphique 5 : Évolution de la siccité de la boue. Valeurs moyennes hebdomadaires en %]
À l'oxygène pur, un seul des deux digesteurs équipé de deux skids OXY-DEP™ suffit, soit 37 kW. L'économie est donc de 65 % sur la digestion, ce qui correspond pour l’ensemble de la STEP à 20 %.
Conclusion
Le remplacement de l'air par de l’oxygène pur en digestion de boues sur une station d'épuration des eaux usées a prouvé son efficacité et a permis d'atteindre les résultats suivants :
- La diminution de la consommation en énergie : 65 % pour la digestion, 20 % pour l'ensemble de la station.
- L'amélioration du rendement de digestion : 62 % MVS/MES à l'air, 53 % à l'oxygène pur.
- L'amélioration de la stabilisation : 0,075 mgO₂/gMVS·min à l'air et 0,025 à l'oxygène pur.
- L'augmentation de la siccité après déshydratation : 16 % à l'air, 24 % à l'oxygène.
- La diminution du volume du digesteur : 3 500 m³ à l'air, 1 750 m³ à l'oxygène.
- Le maintien des réactions de digestion indépendamment des conditions climatiques :
T° moyenne en août : 22 °C à l'air, 40 °C à l'oxygène,
T° moyenne en janvier : 12 °C à l'air, 26 °C à l'oxygène.
- La diminution des émissions de COV.
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