LES JEUDIS DE L’AQUAPOLE 26 Octobre 2006 LE CYCLE DU CARBONE DE L’AZOTE ET DU PHOSPHORE EN STATION D’EPURATION CEBEDEAU L. Vandevenne et P. Henry
OU COMMENT SONT ELIMINES CES TROIS POLLUANTS MAJEURS ? OBJECTIFS DES STEP (1) FILIERE EAU DCO (carbone) 750 mg/l 125 mg/l Ntotal 60 mg/l 10 – 15 mg/l Ptotal 12 mg/l 1-2 mg/l (1) Exemple relatif aux eaux usées urbaines
CARBONE O2 + 4 H+ + 4e- H2O CARBONE ORGANIQUE = DCO (mgO2/l) (1) CARBONE ORGANIQUE = DCO (mgO2/l) demande chimique en oxygène O2 + 4 H+ + 4e- H2O (1) On exprime la matière organique par son équivalent oxygène, iDCO, mat.org., ie par la quantité d’oxygène nécessaire à son oxydation.
DCObd : épuration biologique (60 – 65 % dont 30-35% en MES) CARBONE ORGANIQUE : Pollution organique (substrat) DCOinfluent = DCOsol.bd + DCOMES.bd + DCOMES.nbd + DCOsol.nbd DCObd DCObd : épuration biologique (60 – 65 % dont 30-35% en MES) DCOMES.nbd : élimination physique, boues (30-35 %) DCOsol.nbd :effluent (5-10 %) DCO influent urbain : 750 mgO2/l (1) iDCO,Mat.org. : 1,5 – 2,0 mgO2/l (1) 180 l/d.hab
CARBONE ORGANIQUE : Les biomasses épuratrices Biomasse bactérienne : C5H7NO2(P)x iDCO,biomasse. : 1,42 mgO2/ mg org.
CARBONE MINERAL : CO2 (HCO3-) iDCO, CO2 : 0,00 mgO2/mg (donneur d’e-)
METABOLISMES DU CARBONE Biomasse : Bhétérotrophe Principe (1) DCObd + (1-Y*) accepteur d’e- Y*.DCObd + CO2 + H2O BH DCObd = (1-Y*) accepteur d’e- + Y*.DCObd Y* : stoechiométrie, fixée par l’ingénieur. Y* < Ybiol (1) On néglige ici la production de DCOs, nbd associée au processus de biodégradation du carbone.
Métabolismes du carbone Accepteur d’e- Procédé Réaction d’oxydo/réduction O2 Aérobie DCObd + O2 CO2 +H2O NO3- Anoxie DCObd + NO3 CO2 +H2O +1/2 N2 DCObd Anaérobie DCObd dco (C2 , C3 )
C18H19O2N (DCObd) +0,74 NH3 + 0,174 P + 8,8 O2 BH Stoechiométrie Métabolisme aérobie (Ybiol) C18H19O2N (DCObd) +0,74 NH3 + 0,174 P + 8,8 O2 BH 1,74 C5H7NO2P0,1 + 9,3 CO2 + 4,52 H2O Energie Epuration Boues biologiques
Métabolisme en anoxie (Ybiol) ou dénitrification (Energie) C18H19O2N (DCObd) +0,74 NH3 + 0,174 P + 6,3H+ + 7,04 NO3- BH 1,74 C5H7NO2P0,1 + 9,3 CO2 + 3,51 N2 + 8,04 H2O Epuration Boues biologiques 1mg N-NO3 = 2,86 mgO2
Métabolismes du carbone en aérobie, anoxie, et en anaérobie Métabolisme en anaérobie (Ybiol) C6H12O6 (DCObd) + 0,24 NH3 + 0,024 P BH 0,24 C5H7NO2P0,1+ 2,4 CH3COOH + 0,72 H2O Boues biologiques dcobd Métabolismes du carbone en aérobie, anoxie, et en anaérobie Cinétique Taux de croissance élevé
CYCLE DU CARBONE (Boues activées à faible charge) (1) CYCLE DU CARBONE (Boues activées à faible charge) 100% -47% 45% 3% 5% O2 DCObd DCOnbd DCOs,nbd DCOs,nbd DCOMES,nbd CO2 (HCO3-) DCObiomasse Effluent Boues Effluent (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd.
CYCLE DU CARBONE (Déc. Primaire, biol., digesteur) (1) CYCLE DU CARBONE (Déc. Primaire, biol., digesteur) O2 100% -29% 42% 5% 2% 22% (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à moyenne charge biologique (taux de croissance net : environ 0,01 d-1). Le rendement de la décantation primaire est de 50% sur la DCOMES et les performances épuratrices biologiques sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd.non retenues à la décantation primaire. DCObd DCOnbd DCOs,nbd DCOMES,bd DCOs,nbd DCOMES,nbd CO2 (HCO3-) DCObiomasse CH4 Effluent Effluent Boues Gaz
CYCLE DU CARBONE (Déc. Primaire, biol., incinération) (1) CYCLE DU CARBONE (Déc. Primaire, biol., incinération) O2 100% -29% 0% 5% 2% -64% (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à moyenne charge biologique (taux de croissance net : environ 0,01 d-1). Le rendement de la décantation primaire est de 50% sur la DCOMES et les performances épuratrices biologiques sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd.non retenues à la décantation primaire. DCObd DCOnbd DCOs,nbd DCOMES,bd DCOs,nbd DCOMES,nbd CO2 (HCO3-) DCObiomasse O2 Effluent Effluent Boues
CYCLE DU CARBONE (Lagunage algo-bactérien) DCObd DCOnbd 100% (95%) 3% 2% hn DCOs,nbd DCOs,nbd DCOMES,nbd CO2 (HCO3-) DCObiomasse Effluent Effluent Boues
iN,DCObd DCObd > Y* DCObd . iN,DCObiomasse AZOTE AZOTE REDUIT N-organique = iN,DCO DCO N-Ammoniacal : N-NH4 METABOLISME DU CARBONE iN,DCObd DCObd > Y* DCObd . iN,DCObiomasse N-orgbd N-biomasse + N-NH4 < N-orgbd N-biomasse + N-NH4 N-NH4
CYCLE DE L’AZOTE REDUIT (Boues activées à faible charge) (1) O2 iN,DCObdDCObd iN,DCOnbdDCOnbd N-NH4 iN,DCOs,nbdDCOs,nbd (HCO3-) iN,DCOs,nbdDCOs,nbd iN,DCOMES,nb DCOMES,nbd N-NH4 iN,DCObiomasse .DCObiomasse Effluent Boues Effluent (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd et la nitrification.
CYCLE DE L’AZOTE REDUIT (Boues activées à faible charge) (1) O2 N-orgbd N-orgnbd N-NH4 100% 1% 75% 22% 2% N-org s,nbd (HCO3-) N-orgs,nbd N-org ,MESnbd N-NH4 N-org .biomasse Effluent Boues Effluent (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd et la nitrification.
METABOLISME DE L’AZOTE OU NITRIFICATION AZOTE AMMONIACAL METABOLISME DE L’AZOTE OU NITRIFICATION Biomasse : B autotrophe Principe BA1 BA2 N-NH4 N-NO2 N-NO3 Stoechiométrie (Ybiol) BA NH4+ + 1,86 O2 + 0,1 CO2 0,02 C5H7NO2 + 0,98 NO3- + 1,98 H+ + 0,94 H2O Biotransformation Boues biologiques Effluent Cinétique Taux de croissance faible
AZOTE NITRIQUE METABOLISME DU CARBONE DENITRIFICATION N-NO3 + DCObd CO2 + N-N2 + H2O
CYCLE DE L’AZOTE (Boues activées à faible charge) (1) (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd et la nitrification. O2 N-orgbd N-orgnbd DENITRIFICATION N-N2 N-NH4 64% 100% 24% 2% 0% N-org . s,nbd METABOLISME DU CARBONE (HCO3-) N-NH4 N-orgs,nbd N-org .MESnbd NITRIFICATION N-org .biomasse N-NO3 72% 8% Effluent Boues Effluent
PHOSPHORE P-organique = ip,DCO DCO P-phosphates : P-PO4 METABOLISME DU CARBONE Biomasse hétérotrophe (BH) iP,DCObd DCObd > Y* DCObd ip,DCObiomasse P-Orgbd P-biomasse + P-PO4 < P-orgbd P-biomasse + P-PO4 P-PO4 BH : C5H6NO2 (P0,1) iP,DCObiomasse = 0,02 mgP/mgDCObiomasse
CYCLE DU PHOSPHORE (Boues activées à faible charge) (1) O2 P-orgbd P-orgnbd P-PO4 100% P-org s,nbd <1% (HCO3-) P-orgs,nbd P-org .MESnbd P-PO4 70% P-org .biomasse 0% 30% Effluent Boues Effluent (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd.
Biomasse hétérotrophe déphosphatante (PAO) BPAO : C5H6NO2 (P1,25) iP,DCOPAO = 0,24 mg P / mg .DCOPAO Principe (1) En anaérobie: BH DCObd dco (C2 , C3) dco + (HPO3)PAO + H2O (dco)nPAO + PO43- + H+ Réserve de polyphosphates DCO stockée Relarguage En aérobie : (dco)nPAO + PO43- + O2 + 3 H+ CO2 + (HPO3)PAO + H2O Assimilation Passimilé > Prelargué (1) L’intervention du glycogène n’est pas pris en compte dans ce schéma simplifié.
CYCLE DU PHOSPHORE (Boues activées à faible charge) (1) ANAEROBIE et AEROBIE AEROBIE 100% DCObd P-orgnbd P-orgbd P-PO4 CO2 (N-N2) P-PO4 O2 (N-NO3) O2 (N-NO3) (DCO)n CO2 P-org.biomasse (0,02 DCObiomasse) dco P-PO4 P-org-PAO P -pPO4 (0,24 DCOPAO) P-org .MESnbd 30% Fe3+,Al3+ P-min.MES P-PO4 Boues biologiques Boues chimiques Effluent Boues biologiques 30% 15% 15% 40% (1) Bilan établi pour un influent urbain et une stoechiométrie du métabolisme de la DCObd (Y*) relative à un système à faible charge biologique (taux de croissance net : environ 0,05 d-1). Les performances épuratrices sont supposées à 100% pour la DCObd et la DCOMES,nbd.
Biomasse en suspension MISES EN OEUVRE DES CYCLES DU CARBONE ET DES NUTRIMENTS (N ET P) STEP : BOUES ACTIVEES Air (O2) PRINCIPES INFLUENT EFFLUENT DECANTEUR Brassage Biomasse en suspension PURGE (production de boues) recirculation
Purge = S iMES,DCObiomasse Purge = S iMES,DCObiomasse. DCObiomasse produite /d + iMES,DCO DCOMES nbd entrantes/d Q = Age de la biomasse (d) Q = SR Biomasses Purge Q = 1 / µnet µnet f (substrat concerné) fixe -Cinétique Qualité de l’effluent Stoechiométrie
ndco +[P-pPO4]PAO [dco]n +P-PO4 Step BNR PHOSPHORE CARBONE AZOTE DCO +O2 CO2 N-NH4 + O2 N-NO3 BAUT ndco +[P-pPO4]PAO [dco]n +P-PO4 BPAO BH ANA AERO AERO N-org + O2 N-NH4 (DCO) (CO2) BH [dco]n+P-PO4+O2 CO2+[P-pPO4]PAO BPAO DCO + N-NO3 CO2 + N-N2 BH AERO ANO DCO n dco BH ANA
OBJECTIFS * Distribution spatiale des réacteurs *Distribution temporelle des métabolismes *Fourniture de dco ; sélection des BPAO pour DCO : une seule source de carbone, i.e. l'eau urbaine O2 : combiner les métabolismes aérobies (gérer le réacteur pour BH et BAUT)
Step BNR FeCl3 ANA ANOXIE AEROBIE N-NO3 IN OUT BOUES Step dite à recirculation « nitrate » N-NO3 FeCl3 IN ANA ANOXIE AEROBIE OUT BOUES DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUE DENITRIFICATION DCO NITRIFICATION ASSIMILATION P DEPHOSPHATATION CHIMIQUE
PAR ALTERNANCE DE PHASES AEREES ET EN ANOXIE Step dite par alternance de phases (temps) FeCl3 IN O2 t OUT ANA BOUES *DCO *NITRIFICATION *DENITRIFICATION PAR ALTERNANCE DE PHASES AEREES ET EN ANOXIE *ASSIMILATION DU PHOSPHORE DEPHOSPHATATION CHIMIQUE DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUE
MODELISATION *DIMENSIONNEMENT *GESTION DES METABOLISMES
Heterotrophic organisms : XH Modèle Hydrolysis processes Heterotrophic organisms : XH Phosphorous-accumulating-organisms (PAO) : XPAO Nitrifying organisms (autotrophic organisms) XAUT Simultaneous precipitation of phosphorous with ferric hydroxyde Fe(OH)3
Heterotrophic organisms : XH
Nitrifying organisms (autotrophic organisms) XAUT
Alternance de phases ( Q = 20 d ; O2 : 1,5 h ; NO3- : 2 h) DCO DCO Etude 06/288
Anoxie de tête ( Q = 20 d ; VANO/Vtot = 0,3) C=100% C=200% C=300% C=400% C=500% C=600% Etude 06/316
Evolution des modèles Floc bactérien *Scenarii des métabolismes *Echelle « microscopique » A E R O A N A N O Floc bactérien O2, E(mv) E(mv) O2 d
2 - N-NO2 + N-NH4 N-N2 + (N-NO3) RECHERCHES Cycle de l’azote BA BH 1 - N-NH4 N-NO2 N-N2 O2 DCO BA* 2 - N-NO2 + N-NH4 N-N2 + (N-NO3) [Procédé Anamox] (CO2) REFLEXION Industrie N2 N-NH4 N-NO3 Step N-NH4 N-NO3 N-N2
LES JEUDIS DE L’AQUAPOLE 26 Octobre 2006 MERCI DE VOTRE BONNE ATTENTION SUPPORT DISPONIBLE SUR LE SITE www.cebedeau.be