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Procédés MBBR :Cas du procédé R3F
Résultats sur 2 stations d’épuration.
Les journées de l’ARPE :Evaluation des techniques innovantes
AIX - 27 octobre 2011
Jean Pierre CANLER
2
Introduction:
Évaluation des procédés nouveaux: Procédé MBBR( Moving Bed Biofilm Reactor)
► Procédé R3F : Réacteur à flore fixée fluidisée
● Pays d’origine: Norvège (Université et Kaldnés). ● Nombreuses installations à l’étranger depuis 1990.● En France, début de commercialisation par VINCI en 2006 (Brevet Kaldnés)
A ce jour: Vinci dispose de 18 installations (de 6 500 EH à 120 000 EH).
● D’autres constructeurs arrivent:Véolia: 8 installations MBBR en 2011 et 1 en IFAS (Lille)Degrémont : procédé Meteor ( industriels)
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Constructeur Année de mise en service
Station Capacité
(Equivalents-habitants)
Type de traitement
Particarités
VINCI (SOGEA)
2005 Soustons Port d'Albret (40) 100 000
Pré traitement avant bassin d’aération
(BA)
2006
Communauté de,commune des Trois Frontières (Mulhouse, 68)
120 000
Pré DN- C – N – Post DN
SIARCE - Corbeil Essonnes (91)
100 000 Pré DN- C – N – Post DN
Ecoparc (27) 15 000
SIVOMA - Saint Jean d'Arves
(73) 17 000
C – N Charge variable
550/17000
2 déc primaire
lamellaire Physico
chimique + 2 files de 2
étages C + N + 1 flottateur
2007 Brazza (Bordeaux, 33) 50 000 C Molines (05) 6 500 1 flottateur Montreuil Bellay (49) 12 000
Vars St Marcellin (05) 22 000
C – N Charge variable
2600/22000
1 aire Physico-
chimiques + 2 files de 2
étages C + N + 1 déc
lamellaire
Thourotte (60) 12 000 Pré DN- C –
N
2008 Queven 30 000
Pré trait. avt BA
Bellentre 27 600
C – N Charge variable
5000/27600
Meursault 22 000
Pré trait. avt BA
Ladoix-Serrigny 16 600
Pré trait. avt BA
Villars de Lans (38) 45 000
C – N Charge variable
26000/45000
2009 Ajaccio 65 000 C 2 étages
+ Albiez-Montrond (73) BS Disques biologiques et MBBR HS; Chateauneuf le rouge (13)
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OTV (Véolia) MSE
Vallouise (Communauté de communes Pays des écrins (05)
2010 16 500 C – N et bactério
Equipé de 2 files de flottateur
Bormes les Mimosas (83)
2011 110 000 Carbone Clarification ACTIFLO + Tamis + UV
Agnières en Dévoluy ( 05) IRH MO
C + N Traitement primaire + 2 files C+N + flottateur
Valdeblore 06 MSE
C
Puget-Théniers 06 MSE
C Tamis hydrotech
Roquebrune-Cap-Martin 06 OTV
2012 32 000 Carbone Clarification ACTIFLO
Menton 06 OTV
2010 120 000 Carbone Clarification ACTIFLO
Lille 59 Véolia
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Principe du Réacteur à Flore Fixée Fluidisée
• Flore libre (option): procédé Hybride (IFAS)
• Flore Fixée sur un support
La biomasse (appelée biofilm) se développe sur un matériau support inerte (lit bactérien, biodisque, biofiltre, R3F…)
• Fluidisation
La matériau (biomédia) est maintenu en suspension de façon à assurer un contact maximum avec l’effluent à traiter.
• RéacteurOuvrage avec des dimensions, une géométrie et des é quipements spécifiques
Integrated fixed film activated sludge
7
Supports inertes en plastique (biomédias), d’une densité légèrement inférieure à celle de l’eau, sont mis en mouvement par brassage (zone anoxique) et/ou aération (mode aérobique)
Liste non exhaustive: en cours de développement pour tous les constructeurs compte tenu des brevets déposés.
Avantages recherchés du support:
Surface d’échange importante (gain en compacité), faible densité pour faciliter la fluidisation (gain énergétique) , support peu sensible au colmatage.
Inconvénients pressentis :
Coûts énergétiques et d’investissements (biomédias) importants, « colmatage » possible des biomédias,
BMJ 40 BMX2 BMX1
Autres supports commercialisés par Vinci
Longueur: 7 mmDiamètre: 4 – 5 mm Longueur: 7 mm
Diamètre: 9 – 10 mm
39 x 39 x 4 mm
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Effluent
TraitéBassin biologique aéré
Recirculation
Liqueur mixte
EffluentAIr
R3F
prétraitement
AIr
Applications : MBBR en Prétraitement
Schéma : Source Vinci
10
Effluent Traité
Clarificateur
R3F - HYBRIDE
Effluent
Recirculation
Liqueur mixte
AIr
MBBR Hybride ou IFAS
Peu d’application à ce jour.Schéma : Source Vinci
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Pas obligatoireÉtage primaire
Faible (cas de toutes les cultures fixées)Sensibilité aux variations de débit
Séparée au niveau de l’ouvrage de clarification: par flottation ou décantation mais nécessité d’ajout de floculant ou à terme
par tamisageSéparation des boues en excès
Tamisage à 3 mm nécessaireSensibilité aux MES entrantes
500 à 1700 m2/m3 fonction aussi du traitement recher chéSurface développée utile fonction du support
Lit fluidisé MBBR
Type de flore Fixée sur support plastique
Flore fixée Âge de boue plus élevé (temps de séjours de l’eau fa ible : quelques heures
Spécialisation de la flore ouiétage carbone/ nitrif/ dénitrif( pas de travaux Cem agref)
Recirculation des boues Non (sauf solution IFAS ou HYBRID)
Extraction des boues en excès Toutes les boues en excès sont extraites en continu (flottation 35 g/l – décantation 15 g/l)
Concentration en boues issues des bassins avant clarification
280 mg de MES/l (fonction des concentrations des efflue nts en DBO5 et en MES)
Particularités du MBBR
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Eléments technologiques spécifiques à chaqueconstructeur (Vinci 1er sur le marché Français)
- Recommandations -
• Dimensionnement
• Grilles de retenue du matériau,
• Fluidisation et agitation par l’aération
• Agitation mécanique,
• Remplissage du matériau
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Dimensionnement:Données :
* Flux entrant sur le biologique.* Flux à éliminer
D’où un rendement escompté* Température des effluents à traiter
Paramètre clé de dimensionnement :Charge surfacique sera retenue
Calculs:Ce qui nous donne une surface totale de biomédia
Puis un volume de biomédia
Puis un volume de bioréacteur (fonction du taux de remplissage).
14
Les grilles• Le choix de la grille
• du type de biomédia• du débit traversier dans le réacteur• de la dimension du réacteur
• Il existe deux grands types de grille
CirculairePlane
15
Les grilles
• Nettoyage de la grille (éviter le colmatage)
• par le biomédia agité par l’air• par le biomédia agité mécaniquement• par aération spécifique à la base (optionnel)
16
La fluidisation
• Elle est mise en œuvre par
• L’aération (densité différente au niveau du radier pour rechercher le spiral flow)
• L’agitation mécanique en anoxie
• Elle permet
• L’homogénéisation du milieu et le contact intime efflu ent /biofilm
• La production de fines bulles
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Fluidisation
Fluidisation indispensable sinon
• pas de mouillage du biomedia (respect d’une procédure spécifique aux constructeurs)
• pas de développement de biomasse
• pas de processus biologique
Au départ:
Traitement:
• Performances moindres
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Plusieurs études:
• Cadre du Programme de Recherche* Évaluation des procédés nouveaux: Cemagref/AERMC* Adaptabilité du procédé à la problématique variation de charge.
2 sites étudiés:Station d’épuration de St Sorlin d’Arves -73- (Vinci)Station d’épuration de Vars St Marcellin - 05- (Vinci)A terme: Station de Vallouise -05- (OTV - Véolia)
Objectifs :Performances, bases de dimensionnement, limites du procédés, Adéquation dimensionnement/performances,Consommations énergétiques et la problématique de gestion des
variations de charge
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2/PT
< 15 *19N-NH4+
3520MES
2520DBO5
12590DCO
Garantie souscrite
≥≥≥≥ 5°°°°C≥≥≥≥ 11°°°°CT°°°° retenue (domaine de garantie)
8,416Variation de charge
22 00017 000Taille de la station
Vars St Marcellin (05)
St Sorlind’Arves (73)
Stations étudiées
* : moyenne annuelle et du 1 février au 15 mars .
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Autres garanties et destination :
Centre de compostage22% +/-2
Centre de compostage28% +/-218% +/-2
Boues déshydratéesAvec réactifsSans réactifs
décharge< 10%> 85%*
décharge< 30%30%
Sable lavé et égouttéTeneur en MO
Siccité mini
Biolix autre stepGraisses
Décharge ; > 35%Incinération ; > 35%Siccité des refus
VarsSt Sorlin
* Laveur de sable
25
Décanteur primaire
Tps contact : 2,6 mn
FeCl3: 120 g/m3
Tps contact : 6,5 mn
FeCl3 41 %: 30 à 60 g/m3Ouvrage de coagulation
Vars (ancienne STEP)
St Sorlin
8,3 m/h13,2 m/hVitesse au miroir
1,4 m/h1,8 m/hVitesse de Hazen
Tps contact : 11,4mnPolymère : 1 g/m3
[ ] : 3 g/l
Tps contact : 9.3 mnPolymère: 0,5 à 1,5 g/m3
[ ] : 3 g/lOuvrage de floculation
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Réac. NRéac. C
72 %28 %1018 m343 % C et 55 % N
Vars(22 000 EH)
65 %35 %414 m3
51 %À terme
60%Biochip1200 m2/m3
St Sorlin(17 000 EH)
Proportions en volumeVolume
total des réacteurs
Taux de remplissage
Type de matériau
Sites
Réacteur biologique
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Commentaire sur la présentation des résultats:
• Flux retenus sont les flux à l’entrée du biologique (donc à l’entrée du C).
• Selon le type de traitement, on retient pour les surfaces développées :Pour le réacteur C : Traitement carbone Pour le réacteur N : Traitement azote
• Rendements : Flux éliminés sur l’ensemble des réacteurs biologiques y compris la séparation physique (décanteur ou flottateur) par rapport aux flux appliqués.
• On ne tient pas compte de la part assimilée sur l’étage carboné.
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⇒⇒⇒⇒ Synthèse pour le traitement du carbone avec du Bioc hip M
3,2 g de DBO 5 éliminée / m 2 de surface utile.j
8°°°°C
> 2,8 g de DBO 5 éliminée / m 2 de surface utile.j (substrat limitant car 98 % de
rendement)12,5°°°°C51 % (St Sorlin d’Arves)
55% (Vars)
3,6 g de DBO 5 éliminée / m 2 de surface utile.j
13°°°°C
Rappels des données du constructeur
Charge surfacique éliminéeTempérature
dans le réacteur
Taux de remplissage avec du biochip
A ce stade, on retiendra pour une température de l’ordre de 12°C dans le réacteur, une charge éliminée de l’ordre de 3,0 g de DBO5 éliminée/ m2 de surface utile de matériau. j pour un rendement > à 95 % associé à une DBO5 filtrée en sortie < à 5 mg/L
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⇒⇒⇒⇒ Synthèse pour le traitement de l’azote avec du Bioc hip
De 0,2 à 0,32 g de N-NH4+ éliminée /m 2
de surface utile. j (avec un substrat limitant car 98% de rendement pour la charge surfacique
de 0,2)
12,5°°°°C13°°°°C
51 % (St Sorlin d’Arves)55% (Vars)
0,3 g de N-NH4+ éliminée / m 2 de
surface utile.j8°°°°CRappels des données du
constructeur
Charge surfacique éliminéeTempérature dans le réacteur
Taux de remplissage avec du biochip
A ce stade, on retiendra pour une température de l’ordre de 12°C une charge éliminée de l’ordre de 0,32 g N-NH4
+ éliminée/ m2 de surface de matériau. j pour un rendement > à 80 % associé à une teneur en N-NH4
+ en sortie < à 15 mg/L.
30
Oxygène et fluidisation :
1 x 800 Nm3/h+ 2 x 1200 Nm3/h
2 x 775 Nm3/hDébit d’air
144 W / m3179 W / m3Puissance spécifique d’agitation
1 x 37 KW + 2 x 55 KW( puissance nominale)
2 x 37 kW ( puissance nominale)
Puissance totale installée( 50 hz)
C: 800/(50 m2) = 16 Nm/hN : 2400/(120 m2) = 20 Nm/h
Soit 3200/170 m 2 = 18,8 Nm/h22 Nm/h
Vitesse d’air(/la S totale des réac.)
File C: 1 Surp. pour 2 bassinsFile N: 2 Surp. pour 2 bassins
(+ 1 secours file C et 1 file N)
2 Surp. interconnectés pour 4 bassins (+ 1 secours)
Équipements
VarsSt Sorlin
Objectif en aération - réacteurs C : 4 mg d’O2/l- réacteurs N : 6 à 8 mg d’O2/l
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Séparateur Boues/Effluent: Flottateur, clarificatio n si absence de N-NO 3 (et tamisage dans conditions précises)
Tps contact : 1,4mnPolymère : g/m 3
Tps contact : 10 mnPolymère: 0,5 à 1,5 g/m 3
(2,5 à 3 en fonct.)[ ] : 2 à 3 g/l
Ouvrage de floculation
Q d’air: 6 Nm 3/h à 7 bars(2,5% de Q total: entrée +
pressurisation)
Q de pressurisation:35 m3/h à 6,5bars (17,8%)
Vitesse de hazen : 0,56 m/hVitesse utile de flottation:
22 m/hVitesses
Tps contact : 14 mnFeCl3: 20 g/m 3
Ouvrage de coagulation
Vars Déc. épaiss. Lam.St Sorlin Flottateur
32
Le flottateur
LC
Sortie eau traitée
Entrée eau àtraiter
Pompe de recircualtion
haute pression
Raclage des boues
Lamellaire
Vanne de régulation
Tube de dissolution d’air
Détente
“vitesse” variable de l’ordre de 20 à30 m/h au miroir
800 m3/h ⇒⇒⇒⇒ surface de 7,8 x 4 m
Dimensionnement surl’hydraulique
34
� Flottateur
� Polymères indispensables� Dose de l’ordre de 3 à 5 g /m 3
� Concentration de sortie < ou égal à 30 mg/l� Polymère en continu
� Clarificateur : attention aux nitrates
� Tamisage: sur des effluents ayant subi un traitement primaire
(en attente de retours d’expérience)
Analyse du fonctionnement
35
0
5 000
10 000
15 000
20 000
25 000
30 000
35 000
06/07/
2009
26/07/
2009
15/08/
2009
04/09/
2009
24/09/
2009
14/10/
2009
03/11/
2009
Période de 5 mois
Dé
bit
(m
3/j
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100Débit
MeS Sortie
Dimensionnement du flottateur
Garantie sortie
Résultats de l’autosurveillance - Installation de CC3F
mg/L
36
Consommations énergétiques:
30 - 40% de sa charge organique de
dimensionnement
< 50 % de sa chargeorganique de
dimensionnementRemarques
En haute saison :3,25 KWH / kg de DBO 5
éliminéeHypothèse
8,6 – 9,3 KW / kg de DBO 5éliminée.
8,9 – 9,4 KW / kg de DBO 5éliminée.
Puissance spécifiques consommées
VarsSt Sorlin
37
� Consommations énergétiques� 7,6 KWH / kg de DBO 5 éliminée.� Valeur importante liée au manque d’optimisation.
Analyse du fonctionnement
Répartition de la consommation énergétique par filière (25/02/09 au 26/02/09)
63%5%
32%Filière eau
Filière boues
Divers
Évaluation de la consommation énergétique spécifique à sa charge nominaleen haute saison : 3,25 kWH / kg de DBO5 éliminée
Divers:Désodo., chauffage et
tertiaire.
38
Production de boue
0,92 kg de MES / kg de DBO5 éliminée
0,87 kg de MES / kg de DBO 5éliminée.
Production spécifique de l’étage biologique
Peu de réactifs Bicarbonates
Adjonction de chaux peu optimisée
Réactifs physico-chimiques
Remarques:
36 % de boues primaires(peu de réactifs)
et 64 % de boues bio.
83 % de boues primaires(100 kg chaux / jour)
et 17 % de boues bio.
638,6 - 589,5 - 580 kg MES/j
660 kg de MES/jQuantité de boue produite
1,44 kg de MES / kg de DBO5 éliminée
1,69 kg de MES / kg de DBO 5éliminée.
Production spécifiquede la station
1,3 – 1,451,4 – 1,8 – 1,4Ratio MES/DBO 5
VarsSt Sorlin
39
Impact des retours: Cas de Saint Sorlin
17 % DCO12 à 15 %Impact sur la journée
45 à 65 % DCO22 à 28 %Impact horaire
Avec la file boue
6 %Sans la file boue
ChargeHydraulique
40
Compacité Boue Activée classique MBBR
Filière retenue Pré traitements +
réacteur biologique + Clarification
Prétraitements Identique Traitement I aire Identique
Traitement II aire (profondeur identique)
Nit./ Dénit Volume 3 fois plus
élevé : 375 kg de DBO5
1250 m3 et 210 m2
Gain d’un facteur de 3 mais pas de Dénit.
375 kg de DBO5 414 m3 et 69 m2
Clarificateur (Flottateur avec membranes ou
clarificateur sur les 2 filières)
Identique
% d’emprise au sol
Prétraitements : 9 - 10% Traitement 1aire : 13% Traitement 2 aire : 24%
Flottateur et annex : 16%
Filière boues : 15% Désodorisation : 20%
Bilan 50 % de surface en plus pour le procédé boue activée.
41
Eléments de coût
• Dépend :
• du traitement : prétraitement, azote, carbone, phosph ore….• du biomedia utilisé• des normes de rejets
42
Problématique de Montée en charge.
• Filière retenue en particulier pour traiter la variation de charge
Les plus de son adaptabilité à la variation de charge : culture fixée et dispose le plus souvent de plusieurs files.
• Deux files (gain économique et adaptation à la varia tion de charge).
• Poste d’apport d’alcali (azote ammoniacal) et de bi carbonate.
• Décantation primaire (2 files) avec ou sans réacti fs (intervient pour l’abattement de la pollution carbonée).
43
Problématique de Montée en charge.
Les études des sites ont permis d’étudier la montée en charge mais aussi d’arrêter des positions pour les suivis futurs et nouvelles installations.
La stratégie retenue s’inspire essentiellement des travaux obtenus sur les cultures fixées (biofiltres) et sur la problématique Variation de charge (Document technique FNDAE n° 34).
Position importante: ne jamais arrêter une file complètement.
44
Problématique de Montée en charge.File 2 Ensem encée
0
10
20
30
40
50
26/11/2008 01/12/2008 06/12/2008 11/12/2008 16/12/2008 21/12/2008 26/12/2008
Tem ps (jours)
Flu
x de
N-N
H4
(kg/
j)N-NH4 ERU
N-NH4 alcali
N-NH4 apporté (ERU +Alcali)
N itrification théorique (+10%/j)
Nitrification m esurée
N-NH4 apporté (hypothèse)
Bonne réponse du système à l’injection d’alcali.
45
Problématique de Montée en charge.F ile1 N on-Ensem encée
(depu is fin A oû t)
0
10
20
30
40
50
26 /11/2008 01 /12/2008 06/12 /2008 11/12 /2008 16/12 /2008 21/12 /2008 26/12/2008Tem ps (jou rs )
Flu
x de
N-N
H4
(kg/
j)N -N H 4 E R U
N itr ification théo rique (+10% /j)
N itr if ica tion m esurée
Réponse retardée du système suite à l’augmentation de l’azote en entréede traitement d’où une biomasse autotrophe « en sommeil ».
46
• Recommandations Gestion de la montée en charge: Position Cemagref
• Prochainement une fiche Technique sur le site « Gis biostep » .
• 1- En basse saison, Alternance des files avec alimentation des cellules Azote
• (d’où by pass 1aire et des cellules Carbone).
• 2- En fonction de la variation de charge, détermination de la durée d’apport d’alcali et éventuellement de carbone minéral (Bicarbonate)
• 3- Lors de l’ensemencement Azote sur les cellules N, alimentation des cellules C dés le début de la montée en charge (début décembre).
• Puis en fonction de la montée en charge: alimentation du primaire• et ensuite ajout des réactifs.
Problématique de Montée en charge.
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