LES JEUDIS DE L’AQUAPOLE 26 Octobre 2006

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1 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

2 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

3 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.

4 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

5 CARBONE ORGANIQUE : Les biomasses épuratrices
Biomasse bactérienne : C5H7NO2(P)x iDCO,biomasse. : 1,42 mgO2/ mg org.

6 CARBONE MINERAL : CO2 (HCO3-)
iDCO, CO2 : 0,00 mgO2/mg (donneur d’e-)

7 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.

8 Métabolismes du carbone
Accepteur d’e- Procédé Réaction d’oxydo/réduction O Aérobie DCObd + O2  CO2 +H2O NO Anoxie DCObd + NO3  CO2 +H2O +1/2 N2 DCObd Anaérobie DCObd  dco (C2 , C3 )

9 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

10 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

11 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

12 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.

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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.

18 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.

19 METABOLISME DE L’AZOTE OU NITRIFICATION
AZOTE AMMONIACAL METABOLISME DE L’AZOTE OU NITRIFICATION Biomasse : B autotrophe Principe BA BA2 N-NH N-NO N-NO3 Stoechiométrie (Ybiol) BA NH4+ + 1,86 O2 + 0,1 CO ,02 C5H7NO2 + 0,98 NO3- + 1,98 H+ + 0,94 H2O Biotransformation Boues biologiques Effluent Cinétique Taux de croissance faible

20 AZOTE NITRIQUE METABOLISME DU CARBONE DENITRIFICATION
N-NO3 + DCObd  CO2 + N-N2 + H2O

21 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

22 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

23 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.

24 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.

25 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.

26 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

27

28 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

29 ndco +[P-pPO4]PAO [dco]n +P-PO4
Step BNR PHOSPHORE CARBONE AZOTE DCO +O CO2 N-NH4 + O N-NO3 BAUT ndco +[P-pPO4]PAO [dco]n +P-PO4 BPAO BH ANA AERO AERO N-org + O N-NH4 (DCO) (CO2) BH [dco]n+P-PO4+O CO2+[P-pPO4]PAO BPAO DCO + N-NO CO2 + N-N2 BH AERO ANO DCO n dco BH ANA

30 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)

31 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

32 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

33 MODELISATION *DIMENSIONNEMENT *GESTION DES METABOLISMES

34 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

35 Heterotrophic organisms : XH

36 Nitrifying organisms (autotrophic organisms)
XAUT

37 Alternance de phases ( Q = 20 d ; O2 : 1,5 h ; NO3- : 2 h)
DCO DCO Etude 06/288

38 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

39 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

40 2 - N-NO2 + N-NH4 N-N2 + (N-NO3)
RECHERCHES Cycle de l’azote BA BH 1 - N-NH N-NO N-N2 O2 DCO BA* 2 - N-NO N-NH N-N2 + (N-NO3) [Procédé Anamox] (CO2) REFLEXION Industrie N N-NH N-NO3 Step N-NH N-NO N-N2

41 LES JEUDIS DE L’AQUAPOLE
26 Octobre 2006 MERCI DE VOTRE BONNE ATTENTION SUPPORT DISPONIBLE SUR LE SITE