Transcript La dénitrification biologique

Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
La dénitrification biologique
La problématique « carbone »
Réunion du GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Direction Développement Prospective - V. Rocher
Points abordés
• Quelques rappels sur le SIAAP
• Présentation de la Direction Développement Prospective
• Etudes menées sur la dénitrification biologique
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
2
1
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Etudes sur la dénitrification biologique
• Contexte général des études « dénitrification »
Économique
Réglementaire
Limiter l’augmentation des
coûts d’exploitation
Atteinte des objectifs
réglementaires incertaine
Optimisation exploitation
Seuils DERU,NQE, etc.
Réactifs chimiques
Dénitrification biologique au cœur
de ces deux sphères
GIS BioSTEP – Mars 2014
21
Etudes sur la dénitrification biologique
• Rappel du cadre réglementaire : la Directive Cadre Européenne
• Atteinte du Bon état des masses d’eau d’ici 2015 (2021)
• Fixe des Normes de Qualité Environnementale
Etat écologique
Etat
chimique
0,1 mg
N.l-1
Etat
physicophysico-chimique
!
Etat
biologique
(subst. dangereuses
et prioritaires)
Limites des classes d’état
Paramètre
très bon
bon
moyen
médiocre
NO2- (mg NO2- l-1)
0,1
0,3
0,5
1
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SIAAP DDP – V. Rocher
mauvais
22
Arrêté 25 janvier 2010
11
Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Etat des lieux environnemental : la situation actuelle
– Augmentation des concentrations à l’aval de l’agglomération
Année 2011
Poissy
1,4
Choisy HR73B
Suresnes HR155A
Sartrouville HR155B
Poissy HR230A
Nitrites (mg NO2-/L)
Très mauvais
1,2
Poissy
1
Médiocre
0,8
0,6
Moyen
Sartrouville
Sartrouville
0,4
0,2
Bon
TB
GIS BioSTEP –Janv.
Mars 2014
Fév. Mars
Avril
Mai
Juin
Juil.
Août Sept.
SAV
Oct.
Nov. Déc..
23
2008 - 2010
Oise
Etudes
sur la dénitrification
biologique
7,2 0,8
SEC
1,1
• Etat des lieux environnemental
: la chronique
historique
La Seine
3,1
1,7
11,2
1,7
Sartrouville
– Situation « aval » Argenteuil
proche de 1996 mais des
raisons différentes ….
Usine
SAM
Nitrites (mg NO2-/L)
1,4
Usine
SEC
Poissy
t/j
Usine
SEG
Usine
SAV
1,2
1
1996
0,8
Production en Seine
2011
Apport à la Seine
0,6
2010
2009
0,4
0,2
Choisy
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SIAAP DDP – V. Rocher
Ivry
Suresnes
Chatou
Sartrouville
Poissy
Argenteuil
Boug.
Conflans
Triel
24
12
Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Etat des lieux environnemental : une problématique régionale
– Etat problématique 150 km après Poissy …
1
Usine SAV
Nitrites (mg NO2-/L)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Choisy
Suresnes Sartrouville Poissy
Triel
Méricourt
Poses
Oissel
125 km
154 km
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Contexte général des études « dénitrification »
Réglementaire
Atteinte des objectifs
réglementaires incertaine
Seuils DERU,NQE, etc.
Économique
Limiter l’augmentation des
coûts d’exploitation
Optimisation exploitation
Réactifs chimiques
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Dénitrification biologique au cœur
de ces deux sphères
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Contexte général des études « dénitrification »
Réglementaire
Atteinte des objectifs
réglementaires incertaine
Seuils DERU,NQE, etc.
Économique
Limiter l’augmentation des
coûts d’exploitation
Optimisation exploitation
Réactifs chimiques
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Dénitrification biologique au cœur
de ces deux sphères
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Le coût imputable à l’ajout de carbone exogène
Répartition des coûts d’exploitation (énergie /
réactifs) des unités de biofiltration (C/N/DN)
Water Science and Technology, 2012
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Le coût imputable à l’ajout de carbone exogène
Coûts imputables à l’utilisation des réactifs utilisés à l’échelle
Chlorure ferrique (et autres)
Polymères
Méthanol
du SIAAP (hors SAM) (Euros/an) - 2011
Nutriox
5 556 580 ; 28%
7 510 334 ; 38%
1 313 040 ; 7%
5 298 724 ; 27%
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 1
Levier 2
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
pré-DN dans les bassins à boues activées)
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SIAAP DDP – V. Rocher
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
Développement d’une métrologie adaptée
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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15
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 1
Levier 2
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
pré-DN dans les bassins à boues activées)
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
Développement d’une métrologie adaptée
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des FILIERES
– Exemple : optimisation des filières « Biofiltres »
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Water Science and Technology, 2012
32
16
Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des FILIERES
– Exemple : optimisation des filières « Biofiltres »
GIS BioSTEP – Mars 2014
Water Science and Technology, 2012
33
Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des FILIERES
– Exemple : optimisation des filières « Biofiltres »
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Water Science and Technology, 2012
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des FILIERES
– Exemple : optimisation des filières « Biofiltres »
Tests à l’échelle industrielle
(Seine Centre – 2010)
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 2
Levier 1
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
pré-DN dans les bassins à boues activées)
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SIAAP DDP – V. Rocher
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
Développement d’une métrologie adaptée
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 1
Levier 2
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
pré-DN dans les bassins à boues activées)
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
Développement d’une métrologie adaptée
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
[NO2-] dans le rejet (mg N.l-1)
Exemple de chronique de mesure acquise sur le site SEC
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
12h 18h 00h 06h 12h 18h 00h 06h 12h 18h 00h 06h 12h
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Jour 1
Jour 2
Jour 3
39
Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
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SIAAP DDP – V. Rocher
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20
Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
Diagramme CVe versus CVa
100%
(Cas des stations SAV et SEC)
5
80%
CVE
(kg N-NO3-.m-3.j-1)
Charge volumique éliminée
6
4
3
[Nitrite]résiduel
2
1
0
00
11
4
5
66
22
33
4
5
Charge volumique appliquée (kg N-NO3-.m-3.j-1)
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
[NO3-]
(mg N.l-1)
Concentrations résiduelles
Sous-dosage marqué
20
[NO2-]
Influence du dosage du substrat (cas de SEC)
résiduel
Sous-dosage
modéré
[NO2-
[NO3-]
15
résiduel
Sur-dosage
6
Biofor® (SEC)
4
]
10
2
5
0
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Rapport DBO injectée / N-NOx appliqué
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
Influence de l’apport en phosphates (Cas de SAV)
Légende
8
(mg N-NO2-.l-1)
Nitrites résiduels en sortie
10
P/N < 0,025
P/N > 0,03
Biofor® (SAV)
6
4
2
0
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2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
CVa en N-NO3- (kg N-NO3-.m-3.j-1)
43
Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 1 : Diminution des consommations par une optimisation des UNITES
Développement d’un dispositif de mesure en continu
Etude de l’influence des leviers d’exploitation
Charge appliquée / Apport en carbone (nature / régulation) / Apport en phosphore
Synthèse technique
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Modélisation du fonctionnement
de la Post-DN
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 1
Levier 2
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
Développement d’une métrologie adaptée
pré-DN dans les bassins à boues activées)
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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Etudes sur la dénitrification biologique
• Stratégie générale
Axe 2. Recherche de substituts
Axe 1. Diminution des consommations
Diminution de la quantité de méthanol utilisée
par quantité de nitrate éliminée sur les usines
Diminution de la quantité de méthanol utilisée (voire
suppression) en employant d’autres sources de
carbone
Deux catégories de substituts potentiels : produits
purs / sous-produits d’autres process industriels
Levier 1
Levier 2
Optimisation des filières de
traitement biologique
Répartition optimale du traitement du
nitrate entre les
réacteurs biologiques
(pré-DN sur biofiltres, post-DN sur biofiltres
pré-DN dans les bassins à boues activées)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
Optimisation du fonctionnement des biofiltres
post-DN
Amélioration des connaissances sur le fonctionnement des
post-DN
Développement d’une métrologie adaptée
Amélioration des boucles de contrôle-commande.
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Dénitrification biologique et carbone
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 2 : Recherche de substituts – Démarche d’évaluation des produits
– Critères de niveau 1
• Critères épuratoires : évaluation de l’efficacité du substrat
– Cinétiques de disparition nitrates / accumulation des nitrites
– Compatibilité avec le dimensionnement des ouvrages
• Critères de dangerosité : évaluation des risques industriels associés
– Caractère explosif / inflammable
– Critères de niveau 2
• Mise en œuvre technique sur site
• Approvisionnement en substrat
• Aspects sanitaires et environnementaux
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Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 2 : Recherche de substituts – Démarche d’évaluation des produits
– Critères de niveau 1
• Critères épuratoires : évaluation de l’efficacité du substrat
– Cinétiques de disparition nitrates / accumulation des nitrites
– Compatibilité avec le dimensionnement des ouvrages
• Critères de dangerosité : évaluation des risques industriels associés
– Caractère explosif / inflammable
– Critères de niveau 2
• Mise en œuvre technique sur site
• Approvisionnement en substrat
• Aspects sanitaires et environnementaux
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24
Dénitrification biologique et carbone
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Mise en œuvre technique sur site
• Contraintes de stockage et d’injection
– Volume de stockage et autonomie
Acides organiques
Alcools
Aldéhydes Acétone
Carbohydrates
200
150
2000
100
1500
50
1000
0
500
Indice Relatif de Stockage (%)
Concentration volumique en DBO
(kg DBO / m3)
2500
-50
Fo
Am
i
G don
lu
co
se
-100
rm
A iq u
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0
Molécules carbonées
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49
Mise en œuvre technique sur site
• Contraintes de stockage et d’injection
– Système d’alimentation en substrat
Viscosité / corrosivité / aptitude à la cristallisation
Viscosité dynamique (20°C, mPa.s)
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
H
M
ui
ie
le
l
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H
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Pé
tro
l
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M
ét
ha
no
l
M
él
as
se
0,1
Exemples de produits
50
25
Dénitrification biologique et carbone
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Mise en œuvre technique sur site
• Contraintes d’exploitation / process
– Stabilité de la source de carbone proposée
– Modification du pH du milieu réactionnel
(b)
Cas des eaux de SEC
Cas des eaux de SAV
8
pH dans le réacteur
7,0
6
6,9
5,9
5,8
5,7
7,4
7,0
7,1
7,1
5,5
5,3
5,5
4
2
0
Test 1
Test 2
Test 3
Test 1
Avant ajout de
l’acide acétique
GIS BioSTEP – Mars 2014
Test 2
Test 3
Après ajout de
l’acide acétique
51
Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 2 : Recherche de substituts – Démarche d’évaluation des produits
– Critères de niveau 1
• Critères épuratoires : évaluation de l’efficacité du substrat
– Cinétiques de disparition nitrates / accumulation des nitrites
– Compatibilité avec le dimensionnement des ouvrages
• Critères de dangerosité : évaluation des risques industriels associés
– Caractère explosif / inflammable
– Critères de niveau 2
• Mise en œuvre technique sur site
• Approvisionnement en substrat
• Aspects sanitaires et environnementaux
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52
26
Dénitrification biologique et carbone
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Approvisionnement en substrat
•
Capacité d’approvisionnement
– Quantités disponibles
– Régularité- pérennité des filières de production
– Localisation des filières de production
•
Evaluation du coût
– Coût actuel
– Historique et projections
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53
Etudes sur la dénitrification biologique
•
Axe 2 : Recherche de substituts – Démarche d’évaluation des produits
– Critères de niveau 1
• Critères épuratoires : évaluation de l’efficacité du substrat
– Cinétiques de disparition nitrates / accumulation des nitrites
– Compatibilité avec le dimensionnement des ouvrages
• Critères de dangerosité : évaluation des risques industriels associés
– Caractère explosif / inflammable
– Critères de niveau 2
• Mise en œuvre technique sur site
• Approvisionnement en substrat
• Aspects sanitaires et environnementaux
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54
27
Dénitrification biologique et carbone
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Aspects sanitaires et environnementaux
•
Contraintes pour le personnel d’exploitation et les riverains
– Odeurs
– Gaz volatils irritants
– Etc.
•
Maintien d’une qualité de rejet
– Présence d’impuretés
– Polluants parasites
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55
Exemple du glycérol
•
Le glycérol un candidat idéal au remplacement du méthanol ?
– Structure moléculaire proche de celle du méthanol
• Tri-alcool (1, 2, 3 propantriol)
• Propriétés physico-chimiques
Formule semi
développée
– Polaire / Non toxique / Non explosif / Visqueux
– Sous-produit de la production des biocarburants pour moteur diesel
Process de fabrication des Esters Méthyliques d’Huiles Végétales (EMHV)
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SIAAP DDP – V. Rocher
56
28
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Le glycérol un candidat idéal au remplacement du méthanol ?
– Quantités disponibles importantes et en croissance …
Production mondiale de biocarburants
Le biodiesel : majoritaire en Europe
Pays producteurs : Allemagne, France, Italie
M tonnes
Production en plein essor
Production Diester Industrie (France)
2005 : 400 000 T / 2009 : 1 800 000 T
A l’horizon 2010, production mondiale de
glycérol
(Diester Industrie
1 MT/an
200 000 T/an)
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57
Exemple du glycérol
Le glycérol est-elle une source de carbone utilisable pour
la dénitrification aval ?
Essais en laboratoire
Capacité de la biomasse épuratrice à dénitrifier
les effluents en présence de glycérol
(cinétiques de dénitrification / production de nitrites)
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Essais industriels
Vérification des performances épuratoires
Identification d’éventuels problèmes d’exploitation
(alimentation / pollution parasite, etc.)
58
29
Dénitrification biologique et carbone
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Exemple du glycérol
Inter-comparaison des cinétiques de dénitrification
Vitesses moyennes de dénitrification
4,5
Tests en réacteurs
(SBR)
3,6
4
2,9
2,9
2,5
3
2,3
1,8
1,8
1,8
1,6
2
0,8
0,7
Lyse bactérienne
Propionate
Acétate
Lactose
Saccharose
Glucose
Amidon
Ethanol
Méthanol
0
Glycérol restauration
1
Glycérol pur
Vitesse (mg N. g MVS-1. h-1)
5
Glycérol - EMHV
•
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59
Exemple du glycérol
Accumulation (g N-NO2- / g N-NO3-)
•
Inter-comparaison des cinétiques de dénitrification
Vitesses d’accumulation des nitrites
0,4
0,34
Tests en réacteurs
(SBR)
0,28
0,3
0,23
0,24
0,24
0,16
0,2
0,09
0,12
0,11
0,07
0,1
0,05
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
Lyse bactérienne
Propionate
Acétate
Lactose
Saccharose
Glucose
Amidon
Ethanol
Méthanol
Glycérol - EMHV
Glycérol restauration
Glycérol pur
0
60
30
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
Le glycérol est-elle une source de carbone utilisable pour
la dénitrification aval ?
Essais en laboratoire
Essais industriels
Vérification des performances épuratoires
OK !
Identification d’éventuels problèmes d’exploitation
(alimentation / pollution parasite, etc.)
GIS BioSTEP – Mars 2014
61
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
62
31
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
Pré-traitement
Dégrillage (mailles 40 puis 15 mm)
Dessablage-deshuilage (6 bassins de 950 m2)
Élimination des gros déchets flottants, des graviers et d’une
partie des graisses
GIS BioSTEP – Mars 2014
63
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
Traitement physico-chimique
Décantation lamellaire (9 décanteurs Densadeg®)
Ajout de réactifs chimiques coagulant –floculant (chlorure
ferrique – polymère anionique)
Rétention des MES et du phosphore
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
64
32
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
Epuration biologique : 1er étage
24 filtres biologiques de type Biofor® (biolite)
Surface : 104 m2 – hauteur matériau : 3 m
Dispositif d’aération à la base du matériau filtrant
Élimination de la pollution carbonée
GIS BioSTEP – Mars 2014
65
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
Epuration biologique : 2ème étage
29 filtres biologiques de type Biostyr® (biostyrène)
Surface : 111 m2 – hauteur matériau : 3 m
Dispositif d’aération à la base du matériau filtrant
Nitrification
GIS BioSTEP – Mars
2014
SIAAP DDP – V. Rocher
: NH4+
NO3-
66
33
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Présentation du site pilote : Seine Centre
Égout
Dégrillage
Dessableur-Dégraisseur
Décantation physico-chimique
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®)
1er étage (Biofor®)
Epuration biologique : 3ème étage
12 filtres biologiques de type Biofor® (biolite)
Surface : 104 m2 – hauteur matériau : 3 m
Dispositif d’aération à la base du matériau filtrant
Dénitrification : NO3-
GIS BioSTEP – Mars 2014
N2 (g)
67
Exemple du glycérol
•
Présentation du dispositif de suivi des essais
Étape de dénitrification par biofiltration (Biofor®)
File expérimentale glycérol
4 biofiltres
Volumes traités : 80 000 m3.j-1
2 Files témoins méthanol
2 x 4 biofiltres
Glycérol
Volumes traités : 2 x 80 000 m3.j-1
Suivi des performances épuratoires
Méthanol
(prélèvements automatiques / ponctuels / canne
de prélèvement multi-points)
Suivi de l’encrassement des massifs
Seine
Méthanol
(pressions sous planchers / canne de mesure
des pertes de charge)
Suivi de la qualité des boues biologiques
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
(observations microscopiques)
68
34
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Suivi des concentrations en azote
Concentration (mg N. l-1)
35
Augmentation progressive des ajouts de glycérol
NO3- entrée
30
NO3- sortie
25
NO2- sortie
20
15
10
5-mars-08
4-mars-08
3-mars-08
2-mars-08
29-févr.-08
28-févr.-08
27-févr.-08
26-févr.-08
25-févr.-08
24-févr.-08
23-févr.-08
22-févr.-08
21-févr.-08
20-févr.-08
19-févr.-08
18-févr.-08
17-févr.-08
0
1-mars-08
5
Période de montée en charge satisfaisante
Concentrations résiduelles en NOx faibles au bout de 15 jours
GIS BioSTEP – Mars 2014
69
Exemple du glycérol
•
Suivi des concentrations en carbone
Augmentation progressive des ajouts de glycérol
Concentration (mg O2. l-1)
200
DCOs entrée
DCOs sortie
160
120
80
[DCO] rejet
40
5-mars-08
4-mars-08
3-mars-08
2-mars-08
1-mars-08
29-févr.-08
28-févr.-08
27-févr.-08
26-févr.-08
25-févr.-08
24-févr.-08
23-févr.-08
22-févr.-08
21-févr.-08
20-févr.-08
19-févr.-08
18-févr.-08
17-févr.-08
0
35-40 mg O2.l-1
Concentrations résiduelles en DCO acceptables au bout de 15 jours
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
70
35
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Évaluation des vitesses de dénitrification au sein du massif filtrant
Augmentation progressive des ajouts de glycérol
4
Vitesse (kg N. m-3.j-1)
Transit Eau à traiter
Zonage du massif
Bas du massif 0-1 m
3
2
1
6-mars-08
5-mars-08
4-mars-08
3-mars-08
2-mars-08
1-mars-08
29-févr.-08
27-févr.-08
28-févr.-08
26-févr.-08
25-févr.-08
24-févr.-08
23-févr.-08
22-févr.-08
21-févr.-08
20-févr.-08
18-févr.-08
0
19-févr.-08
Haut du massif 1-3 m
Augmentation forte des vitesses de dénitrification dans les couches basses du massif filtrant
3 -1
-1
Vitesse
de 3-3,5
GIS BioSTEP
– Mars
2014 kg N.m .j (VH = 7-8 m.h ) – Performances similaires à celles obtenues avec le CH3OH
71
Exemple du glycérol
•
Encrassement des massifs : suivi des pertes de charge
12
9
6
3
Encrassement des massifs
SIAAP DDP – V. Rocher
16-mars-08
14-mars-08
12-mars-08
8-mars-08
6-mars-08
4-mars-08
2-mars-08
27-févr.-08
25-févr.-08
23-févr.-08
cycle filtration / lavages incomplets / performances dégradées)
10-mars-08
GIS BioSTEP – Mars 2014
21-févr.-08
19-févr.-08
0
17-févr.-08
(
29-févr.-08
Pertes de charge
(cm H2O / m de matériau / m.h-1)
15
72
36
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Encrassement des massifs : suivi de la qualité des eaux de lavage
Eaux de lavage prélevées sur un biofiltre
alimenté en méthanol (x 100)
Eaux de lavage prélevées sur un biofiltre
alimenté en glycérol (x 100)
GIS BioSTEP – Mars 2014
73
Exemple du glycérol
•
Encrassement des massifs : suivi de la qualité des eaux de lavage
Eaux de lavage prélevées sur un biofiltre alimenté en glycérol
(Microscopie électronique à balayage environnemental)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
74
37
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Exemple du glycérol
•
Encrassement des massifs : identification de l’organisme colonisateur
– Ensemencement sur des EL sur milieu de culture (milieu gélosé Agar + Chloramphénicol)
– Identification morphologique : Geotrichum candidum et Mucor hiemalis
Ascomycètes avec des arthrospores aux branchements dichotomiques caractéristiques
Très communs dans les eaux (ERU) et les sols (Domsch et al. [1993] et Kacprzak et al. [2005])
GIS BioSTEP – Mars 2014
75
Conclusions
•
Performances épuratoires globalement satisfaisantes
•
Encrassement des massifs par des champignons
– Problèmes d’exploitation rédhibitoires
– Colonisation inéluctable
• Ubiquité de ces organismes (présence dans les ERU)
• Inhibition du développement fongique pas réalisable
– Action fongicide spécifique
– Action fongicide = action bactéricide
– Pas de rôle inhibiteur du méthanol
» Essais en laboratoire : mise en culture des champignons sur milieu contenant du glycérol en
excès et des concentrations croissantes en méthanol (0 à 18 g O2.l-1)
développement fongique sur
tous les milieux
» Essais industriels : alimentation de la file expérimentale avec un mélange glycérol / méthanol (v/v
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
: 50/50)
développement fongique dans les massifs filtrants
76
38
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Merci pour votre attention
GIS BioSTEP – Mars 2014
77
Post-DN : CVa en azote (1/4)
Unités de dénitrification SAV
Unités de dénitrification SEC
12 filtres Biofor – 147 m2
12 filtres Biofor – 104 m2
Seine Aval (SAV)
1 700 000 m3.j-1
Seine Centre (SEC)
240 000 m3.j-1
Décantation simple
Boues activées (C) Biofiltration (N)
Décantation lamellaire accélérée (P)
Biofiltration (C + N)
Marne
Paris
Seine Grésillons (SEG)
100 000 m3.j-1
Décantation lamellaire
accélérée (P)
Biofiltration (C + N)
Marne Aval (MAV)
75 000 m3.j-1
Seine
Décantation lamellaire
accélérée (P)
Biofiltration (C + N)
Seine Amont (SAM)
600 000 m3.j-1
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
Décantation simple
Boues activées (C / N / P)
10 km
EIN, 2011
78
39
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Post-DN : CVa en azote (2/4)
20
20
15
15
10
10
2
1
55
00
0
150
Massif filtrant
100
50
0
Fin massif
Plancher
Conc. en DCOs (mg O2.l-1)
Lame eau
Conc. en nitrates (mg N.l-1)
12
Conc. en nitrites (mg N.l-1)
Massif filtrant
10
8
6
4
2
0
Fin massif
GIS BioSTEP – Mars 2014 Plancher
Fin massif
Plancher
Conditions de forte charge (CVa = 3,7 kg N-NO3
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Lame eau
25
-.m-3.j-1
/ VH = 11
400
m.h-1
[Seine Aval])
Massif filtrant
Lame eau
Massif filtrant
25
Lame eau
3
30
30
Conc. en DCOs (mg O2.l-1)
Conc. en nitrites (mg N.l-1)
Conc. en nitrates (mg N.l-1)
Conditions de faible charge (CVa = 1,5 kg N-NO3-.m-3.j-1 / VH = 7 m.h-1 [Seine Centre])
300
200
100
0
Plancher
Fin massif
79
Post-DN : CVa en azote (3/4)
Concentrations en NO2- (mg N.l-1)
3
2,5
Températures hivernales
(inférieures à 16°C)
2
1,5
Températures estivales
(supérieures à 23°C)
1
0,5
0
3,0
3,5
4,0
3
3,5
4
CVa en NO3- (kg N.m-3.j-1)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
80
40
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Post-DN : CVa en azote (4/4)
GIS BioSTEP – Mars 2014
81
Post-DN : Nature du carbone (1/4)
Sonde O2 Piquage échantillons
Bullage N2
Extraction N2
Sonde pH
Agitateur magnétique
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
EIN, 2011
82
41
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Post-DN : Nature du carbone (2/4)
Inter-comparaison des cinétiques de dénitrification
Vitesses moyennes de dénitrification
Vitesse (mg N. g MVS-1. h-1)
5
4,5
Tests en réacteurs
(SBR)
3,6
4
2,9
2,9
2,5
3
2,3
1,8
1,6
2
1,8
1,8
0,8
0,7
Lyse bactérienne
Propionate
Acétate
Lactose
Saccharose
Glucose
Amidon
Ethanol
Glycérol restauration
Glycérol pur
0
Glycérol - EMHV
1
Méthanol
•
GIS BioSTEP – Mars 2014
EIN, 2011
83
Post-DN : Nature du carbone (3/4)
Inter-comparaison des cinétiques de dénitrification
Accumulation (g N-NO2- / g N-NO3-)
•
Vitesses d’accumulation des nitrites
0,4
0,34
0,28
0,3
0,23
0,24
0,24
Tests en réacteurs
(SBR)
0,16
0,2
0,09
0,12
0,11
0,07
0,1
0,05
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
Propionate
Acétate
Lactose
Saccharose
Glucose
Amidon
Ethanol
Méthanol
Glycérol - EMHV
Glycérol restauration
Glycérol pur
0
EIN, 2011
84
42
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Post-DN : Nature du carbone (4/4)
GIS BioSTEP – Mars 2014
85
Post-DN : dosage en carbone (1/5)
Egout Dégrillage
Dessableurdégraisseur
Dénitrification
Décantation physico-chimique
Nitrification
Elimination carbone
Ajout méthanol
Seine
3ème étage (Biofor®)
2ème étage (Biostyr®) 1er étage (Biofor®)
Seine Centre (SEC)
240 000 m3.j-1
Seine Aval (SAV)
1 700 000 m3.j-1
Marne
Paris
Seine Grésillons (SEG)
100 000 m3.j-1
Marne Aval (MAV)
75 000 m3.j-1
Seine
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
Seine Amont (SAM)
600 000 m3.j-1
10 km
EIN, 2011
86
43
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Conc. en NO2- (mg N.l-1)
Conc. en NO3- (mg N.l-1)
Post-DN : dosage en carbone (2/5)
20
15
Sous-dosage marqué
Sous-dosage
modéré
Sur-dosage
Dosage
optimal
10
5
0
6
Sous-dosage marqué
Sous-dosage
modéré
Sur-dosage
4
2
Valeur seuil
1 mg N-NO2-.l-1
0
GIS BioSTEP – Mars 2014
EIN, 2011
Rapport DBO injectée / N-NOx appliqué
87
Post-DN : dosage en carbone (3/5)
15
5
4
Massif filtrant
3
10
2
5
1
0
0
Plancher
Fin massif
150
120
90
Massif filtrant
60
30
0
Fin massif
Plancher
15
4
10
3
2
5
1
0
Plancher
GIS BioSTEP – Mars
2014
SIAAP DDP – V. Rocher
7
6
5
0
Fin massif
Conc. en DCOs (mg O2.l-1)
20
Massif filtrant
Lame eau
25
Conc. en nitrites (mg N.l-1)
Conc. en nitrates (mg N.l-1)
Dosage optimal : C/N = 2,9 (CVa = 1,4 kg N-NO3
30
Lame eau
20
6
-.m-3.j-1)
150
Massif filtrant
120
90
Lame eau
25
7
Conc. en DCOs (mg O2.l-1)
Lame eau
30
Conc. en nitrites (mg N.l-1)
Conc. en nitrates (mg N.l-1)
Situation de sous-dosage : C/N = 2,4 (CVa = 1,5 kg N-NO3-.m-3.j-1)
60
30
0
Plancher
Fin massif
EIN, 2011
88
44
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Accumulation de nitrites
(g N-NO2- / g NO3- éliminé)
Post-DN : dosage en carbone (4/5)
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0
2,1
2,3
2,5
2,7
2,9
Rapport DBO injectée / N-NOx appliqué
GIS BioSTEP – Mars 2014
EIN, 2011
89
Post-DN : dosage en carbone (5/5)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
90
45
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Post-DN : apports en P (1/4)
Seine Centre (SEC)
240 000 m3.j-1
Décantation lamellaire (P)
Biofiltration (C + N)
Seine Aval (SAV)
1 700 000 m3.j-1
Décantation simple
Boues activées (C) Biofiltration (N)
Marne
Seine Grésillons (SEG)
100 000 m3.j-1
Décantation lamellaire (P)
Biofiltration (C + N)
Paris
Marne Aval
75 000 m3.j-1
Décantation lamellaire (P)
Biofiltration (C + N)
Seine
Seine Amont
600 000 m3.j-1
Décantation simple
Boues activées (C / N / P)
10 km
GIS BioSTEP – Mars 2014
91
Nitrites résiduels en sortie (mg N-NO2-.l-1)
Post-DN : apports en P (2/4)
10
Légende
P/N < 0,025
8
P/N > 0,03
6
4
2
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
CVa en N-NO3- (kg N-NO3-.m-3.j-1)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
92
46
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
3,0
Biofiltres de type Biofor - Seine Aval
2,5
0,04
2,0
0,03
1,5
0,02
1,0
0,01
00
0,5
0,01
0,05 (b)
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
0
3,0
Biofiltres de type Biolest - Seine Grésillons
2,5
0,04
2,0
0,03
1,5
0,02
1,0
0,01
00
GIS BioSTEP – Mars 2014
0,5
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
0
Phosphates résiduels en sortie
(mg P.l-1)
Consommation en Phosphates
(mg P / mg N-NOx)
0,05 (a)
Phosphates résiduels en sortie
(mg P.l-1)
Consommation en Phosphates
(mg P / mg N-NOx)
Post-DN : apports en P (3/4)
Rapport P-PO43- / N-NOx en entrée d’ouvrage
93
Post-DN : apports en P (4/4)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
94
47
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Modélisation de la biofiltration (1/3)
• Partenariat Université Laval / SIAAP - Programme Mocopée
• Objectif : construire des modèles de prédiction du fonctionnement
des biofiltres (C / nitrification / dénitrification sur méthanol)
Adaptation modèles mathématiques fondamentaux au
biofiltre
(Hydraulique, Transfert biofilm, Conversion biologique,
Filtration, Lavage, perte de charge)
GIS BioSTEP – Mars 2014
95
Modélisation de la biofiltration (1/3)
• Partenariat Université Laval / SIAAP - Programme Mocopée
• Objectif : construire des modèles de prédiction du fonctionnement
des biofiltres (C / nitrification / dénitrification sur méthanol)
Calibration du modèle pour que la dynamique intramassif soit bien représentée
Exemple nitrification
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
96
48
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Modélisation de la biofiltration (1/3)
• Partenariat Université Laval / SIAAP - Programme Mocopée
• Objectif : construire des modèles de prédiction du fonctionnement
des biofiltres (C / nitrification / dénitrification sur méthanol)
Validation du modèle sur des longues périodes
Performances ET pertes de charge
Exemple de la nitrification de SAV (2009)
GIS BioSTEP – Mars 2014
97
Modélisation de la biofiltration (2/3)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
98
49
Dénitrification biologique et carbone
GIS BioSTEP – 10 mars 2014
Modélisation de la biofiltration (3/3)
GIS BioSTEP – Mars 2014
SIAAP DDP – V. Rocher
99
50