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LE CYCLE DU CARBONE DE L’AZOTE ET DU PHOSPHORE EN STATION D’EPURATION

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

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LE CYCLE DU CARBONE DE L’AZOTE ET DU PHOSPHORE EN STATION D’EPURATION

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Presentation Transcript

  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 (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. 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 (1) Principe 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 O2 Aérobie DCObd + O2 CO2 +H2O NO3- Anoxie DCObd + NO3 CO2 +H2O +1/2 N2 DCObdAnaérobie DCObd  dco (C2 , C3 )

  9. Métabolisme aérobie (Ybiol) Energie C18H19O2N (DCObd) +0,74 NH3 + 0,174 P + 8,8 O2 BH  1,74 C5H7NO2P0,1 + 9,3 CO2 + 4,52 H2O Epuration Stoechiométrie Boues biologiques

  10. (Energie) Epuration Métabolisme en anoxie (Ybiol) ou dénitrification 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 Boues biologiques 1mg N-NO3 = 2,86 mgO2

  11. 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. -47% 100% 5% 3% 45% (1) CYCLE DU CARBONE (Boues activées à faible charge) 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. -29% 100% 42% 22% 5% 2% (1) CYCLE DU CARBONE (Déc.Primaire, biol.,digesteur) O2 (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 Gaz Effluent Boues

  14. -29% 100% -64% 0% 5% 2% (1) CYCLE DU CARBONE (Déc.Primaire, biol.,incinération) O2 (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. 100% (95%) 2% 3% CYCLE DU CARBONE (Lagunage algo-bactérien) O2 DCObd DCOnbd hn DCOs,nbd DCOMES,nbd DCOs,nbd CO2 (HCO3-) DCObiomasse Effluent Effluent Boues

  16. METABOLISME DU CARBONE iN,DCObd DCObd > Y* DCObd . iN,DCObiomasse N-orgbd N-biomasse + N-NH4 < N-orgbd N-biomasse + N-NH4 N-NH4 AZOTE AZOTE REDUIT N-organique = iN,DCO DCO N-Ammoniacal : 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,nbDCOMES,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) 100% 1% 75% 2% 22% (1) O2 N-orgbd N-orgnbd N-NH4 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. 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

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

  21. CYCLE DE L’AZOTE (Boues activées à faible charge) 100% 2% 0% 2% 24% (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% N-org . s,nbd METABOLISME DU CARBONE (HCO3-) N-NH4 N-orgs,nbd N-org .MESnbd NITRIFICATION N-NO3 N-org .biomasse 72% 8% Effluent Boues Effluent

  22. METABOLISME DU CARBONE Biomasse hétérotrophe (BH) iP,DCObd DCObd > Y* DCObd ip,DCObiomasse BH : C5H6NO2 (P0,1) iP,DCObiomasse = 0,02 mgP/mgDCObiomasse P-Orgbd P-biomasse + P-PO4 < P-orgbd P-biomasse + P-PO4 P-PO4 PHOSPHORE P-organique = ip,DCO DCO P-phosphates : P-PO4

  23. CYCLE DU PHOSPHORE (Boues activées à faible charge) (1) O2 P-orgbd P-orgnbd P-PO4 100% <1% P-org s,nbd (HCO3-) P-orgs,nbd P-org .MESnbd 70% P-PO4 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. MISES EN OEUVRE DES CYCLES DU CARBONE ET DES NUTRIMENTS (N ET P) STEP : BOUES ACTIVEES Air (O2) PRINCIPES INFLUENT EFFLUENT DECANTEUR Brassage Biomasseen suspension PURGE (production de boues) recirculation

  27. 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

  28. Step BNR PHOSPHORE CARBONE AZOTE DCO +O2 CO2 N-NH4 + O2N-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

  29. 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)

  30. Step BNR Step dite à recirculation « nitrate » N-NO3 FeCl3 AEROBIE OUT ANOXIE ANA IN BOUES DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUE DENITRIFICATION DCO NITRIFICATION ASSIMILATION P DEPHOSPHATATION CHIMIQUE

  31. O2 t Step dite par alternance de phases (temps) FeCl3 IN OUT ANA BOUES *DCO *NITRIFICATION *DENITRIFICATION PAR ALTERNANCE DE PHASES AEREES ET EN ANOXIE *ASSIMILATION DU PHOSPHORE DEPHOSPHATATION CHIMIQUE DEPHOSPHATATION BIOLOGIQUE

  32. MODELISATION *DIMENSIONNEMENT *GESTION DES METABOLISMES

  33. 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

  34. Heterotrophic organisms : XH

  35. Nitrifying organisms (autotrophic organisms) XAUT

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

  37. 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

  38. Evolution des modèles *Scenarii des métabolismes *Echelle « microscopique » A E R O A N A A N O Floc bactérien O2, E(mv) E(mv) O2 d

  39. RECHERCHES Cycle de l’azote BA BH 1 - N-NH4 N-NO2 N-N2 DCO O2 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

  40. LES JEUDIS DE L’AQUAPOLE 26 Octobre 2006 MERCI DE VOTRE BONNE ATTENTION SUPPORT DISPONIBLE SUR LE SITE www.cebedeau.be

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