Procédé de traitement biologique d'un effluent et installation associée

L'invention concerne un procédé et un dispositif de traitement biologique d'effluents pollués, notamment d'eaux usées, par exemple des eaux résiduaires urbaines ou industrielles, mettant en œuvre un contrôle d'une biomasse au sein d'un réacteur biologique.

Comme on le sait, le principe d'un traitement biologique de pollution consiste à fournir un effluent brut chargé en pollution à une population de bactéries (constituant une biomasse) capables de se nourrir de cette pollution à traiter.

On comprend qu'ainsi on favorise naturellement la prolifération de bactéries capables de consommer cette pollution, de sorte que, même si la pollution est en partie transformée par les bactéries en azote et en dioxyde de carbone, la biomasse croît de manière continue, ce qui nécessite de prévoir une élimination de la biomasse en excès.

Il faut préciser ici que des boues se forment lors d'un traitement biologique, et qu'elles comportent de la biomasse, c'est-à-dire les diverses populations bactériennes qui ont pu proliférer en se nourrissant de la pollution contenue dans l'effluent brut, et des particules de pollution non dégradées.

Le traitement et l'évacuation de ces boues devient un enjeu important, aussi bien du point de vue environnemental qu'économique, ce qui explique qu'il a déjà été proposé de chercher à contrôler la biomasse en vue d'optimiser le processus, par exemple en réduisant la quantité de boues biologiques formées.

On connaît ainsi, d'après le document EP - 1 486 465 (ONDEO), un procédé de traitement biologique d'effluents, comprenant une étape de contrôle de la croissance bactérienne en amont du bassin de boues activées.

Ce document préconise la mise en œuvre d'un bassin de contrôle dans lequel s'accumulent les boues, éventuellement épaissies, obtenues par clarification du flux sortant d'un bassin biologique.

On régule le potentiel rédox de ce bassin de contrôle, par action sur un flux d'entrée dans ce réacteur de cet effluent brut à traiter ou sur un flux de sortie de boues depuis ce réacteur vers le bassin biologique, de manière à ce que ce potentiel reste aussi proche que possible de la valeur d'équilibre entre un état oxydant et un état réducteur : il en découle que sont ainsi mises en œuvre des réactions mettant en jeu des composés oxydants et réducteurs.

De la sorte, le développement et la croissance bactérienne dans le bassin de contrôle sont apparemment limités. On connaît par ailleurs, d'après le document FR - 2 844 786

(ONDEO), un procédé de traitements d'eaux résiduaires par cultures biologiques fixées, impliquant une étape d'épuration et une étape de réduction de production de boues, ces deux étapes étant dissociées.

L'étape de réduction de production de boues inclut une étape de dégradation par voie enzymatique thermophile suivie d'une étape de traitement biologique par boues activées.

Il y a donc un chauffage du réacteur secondaire pour sélectionner une biomasse thermophile et entraîner une lyse provoquant l'apparition d'un substrat nutritif pour les bactéries du traitement biologique. On connaît aussi, par le document US - 5 356 537 (Thurmond et al) un procédé et un dispositif de traitement biologique d'eaux usées faisant intervenir un réacteur d'aération et un clarificateur effectuant une séparation des amas de boues activées du reste du liquide.

Le procédé implique également un envoi d'une fraction de 5 à 25% de la boue activée dans un réacteur aérobie de « digestion » pendant 16 à 24 h avant d'être réinjectée en amont du réacteur d'aération.

Néanmoins, les procédés connus sont souvent limités en terme d'efficacité de dégradation des pollutions, notamment quand différentes espèces chimiques sont présentes et que certaines sont plus difficiles à dégrader que d'autres. Par ailleurs, les procédés connus ne permettent pas la valorisation des matières organiques traitées, ce qui est dommage sur le plan économique.

L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients. Elle vise à cet effet un procédé et un dispositif de traitement biologique mettant en œuvre un contrôle actif sur la biomasse en sorte de l'amener à consommer autant que possible les diverses sortes de pollution contenues dans l'effluent brut et à produire des composés d'intérêt, sans impliquer d'investissement important ou de conditions opératoires exigeantes.

L'invention propose ainsi un procédé de traitement biologique d'un effluent à traiter contenant au moins deux formes de pollution organique dont l'une est plus facilement biodégradable que l'autre, utilisant une zone principale de traitement biologique aérée dans laquelle on met l'effluent brut en contact avec des boues biologiques adaptées à consommer une première forme de pollution plus facile à dégrader qu'une seconde forme de pollution, le procédé étant caractérisé en ce que l'on prélève au moins une fraction des boues biologiques que l'on isole à distance de la zone principale de traitement biologique, dans des conditions d'aération et de temps adaptées pour provoquer dans cette fraction un développement de nouvelles fonctions biologiques aptes à consommer la seconde forme de pollution et on recycle ensuite au moins une partie de cette fraction de boues biologiques vers la zone principale de traitement biologique.

On appréciera queTinvention fait intervenir la synergie de plusieurs compétences : la microbiologie pour suivre la viabilité cellulaire du procédé et la faune bactérienne installée dans la zone de traitement biologique ; - l'enzymologie pour favoriser certaines réactions biologiques avantageuses.

L'invention comprend ainsi la combinaison :

d'un procédé de contrôle métabolique des boues au sein d'une zone annexe, en pratique constituée d'un réacteur appelé réacteur de bioactivation, mettant en œuvre une boucle de recirculation entre la zone de traitement biologique et la zone de bioactivation ; la durée du séjour des boues dans le réacteur de bioactivation étant défini en fonction du type de la boue de la zone de traitement biologique, un tel ajustement étant nouveau en soi ; et d'une méthode de gestion du métabolisme de la biomasse pour dégrader la pollution particulaire par sécrétion de composés spécifiques (enzymes ou autres) et/ou par adaptation de la biomasse des boues ; et par conservation de la biomasse dans cet état bioactivé (c'est-à-dire à activité modifiée par voie biologique) durant un temps approprié avant sa réinjection dans la zone de traitement biologique, cet aspect étant nouveau en soi.

Dans une famille de modes de réalisation, la zone de bioactivation est aérée, le temps de séjour de la fraction de boues isolée étant compris entre 1 et 21 jours.

Dans une autre famille de modes de réalisation, la zone de bioactivation est anaérobie, le temps de séjour de la fraction de boues isolées étant défini en fonction de l'âge des boues biologiques.

Un épaississement optionnel peut être également mis en œuvre. Si les boues ne sont pas épaisses, il sert à augmenter la surface de contact substrat-biomasse. Dans tous les cas, il peut servir à réduire le volume du bassin. Un mélangeur peut être utilisé pour assurer une homogénéité des boues si celles-ci sont épaisses.

Une étape de conditionnement supplémentaire, optionnelle, peut être ajoutée en vue d'une valorisation ultérieure de composés d'intérêts prélevés dans le flux sortant de la zone de bioactivation vers la zone de traitement biologique, ce qui permet d'augmenter l'efficacité de la production de ces composés d'intérêt (notamment : enzymes, biopolymères...) lorsque l'objectif du procédé est axé plus spécifiquement dans ce but. On a vu que les systèmes existants sont basés sur la lyse cellulaire et/ou la solubilisation par voie mécanique, thermique ou chimique dans un réacteur annexe ou non.

Par contre, selon l'invention, la dégradation de la pollution ou la production de composés d'intérêt a lieu dans un réacteur de traitement biologique (à la différence notamment du document US - 5 356 537 précité), à température de préférence ambiante (aucun traitement thermique n'est nécessaire pour la sélection et/ou le conditionnement de la biomasse) et sans impliquer une lyse cellulaire (à la différence notamment du document FR - 2 844 786), par une faune endogène, capable de coexister dans le réacteur de traitement biologique et d'y perdurer (à la différence notamment de FR- 2 844 786) et par une biomasse spécifique dans un réacteur annexe (à la différence de EP - 1 486 465).

Ainsi, la zone de bioactivation permet, en raison du contrôle et de la commande fins des phénomènes biologiques qui s'y produisent, le maintien de la boue contenue dans la zone de traitement biologique dans un état optimum, en vue, après recirculation dans le réacteur de traitement biologique, d'une consommation de la majeure partie de la pollution, y compris la pollution difficilement biodégradable, et d'une transformation de la matière organique plus importante.

Il en résulte soit une épuration plus poussée, soit une production de composés d'intérêt soit une minimisation des boues formées. Le fait de diversifier les populations bactériennes en présence dans la zone de traitement biologique a l'intérêt, pour une augmentation généralement modérée de la biomasse, de réduire fortement la part des boues constituées de pollution non consommée ou dégradée et/ou de produire des composés à valeur ajoutée. On peut noter que, selon l'invention, la zone de bioactivation est placée en aval de la zone de traitement biologique et ne reçoit en aucun cas l'effluent brut puisque l'on veut induire une carence nutritive dans cette zone de bioactivation ; le contrôle métabolique de la fraction isolée n'est donc pas basé sur le potentiel redox mais sur d'autres paramètres, que l'on n'avait pas l'habitude de suivre : demande chimique en oxygène (ou DCO) soluble, teneur en nitrates, teneur en exopolysaccharides, ou des activités enzymatiques telles que l'ATP (pour Adénosine TriPhosphate).

Par ailleurs, la zone de bioactivation n'est pas obligatoirement chauffée ; il n'y a donc pas nécessairement de sélection de bactéries suivant la température.

En outre, ce n'est pas dans la zone de bioactivation que la transformation de la pollution a lieu mais dans la zone de traitement biologique elle-même. L'activation de la fraction isolée est contrôlée par des mesures de suivi d'activités biologiques de cette fraction isolée (selon les cas : teneur en DCO soluble, teneur en nitrates, en saccharides, notamment des exopolysaccharides, valeur d'ATP, etc.). Le temps de séjour des boues dans la zone de bioactivation est adapté à la nature de la fraction de boues isolée et peut varier de 1 à 48 heures en conditions anaérobies et de 1 à 21 jours en conditions anoxiques ou aérobies. En conditions anaérobies, le temps de séjour peut être fixé en fonction de l'âge des boues de la zone principale de traitement biologique : plus les boues sont anciennes, plus le temps de séjour dans la zone de bioactivation est long. On peut choisir une relation de proportionnalité entre ces deux grandeurs. On rappelle que l'âge des boues est défini par le rapport entre la quantité de matière présente en suspension dans le bassin d'aération et celle extraite par unité de temps, soit le temps de séjour de la biomasse dans le bassin.

Selon une caractéristique optionnelle et avantageuse de l'invention, les conditions d'aération et de temps sont adaptées pour transformer la seconde forme de pollution en produits valorisâmes.

D'autres caractéristiques optionnelles peuvent éventuellement être combinées avec les précédentes caractéristiques.

Selon une caractéristique optionnelle, la fraction des boues biologiques que l'on isole est choisie entre 30 % et 600 % d'une production journalière de boues de la zone principale de traitement ou préférentiellement entre 30 et 300 %. La fraction de boues prélevée peut être définie par un taux prédéterminé par rapport à la production de boues du procédé notamment en période de référence.

Selon une caractéristique optionnelle, les conditions d'aération et de temps sont définies en fonction du suivi d'au moins un paramètre caractérisant préférentiellement de manière directe l'état biologique de la fraction de boues isolées, et préférentiellement l'état d'activité de la biomasse. Les conditions d'aération et de temps peuvent être prédéfinies ou définies en continu.

Selon une caractéristique optionnelle, ce paramètre est choisi parmi un indicateur de matières en suspension (ou MES), une demande chimique en oxygène soluble ou totale, un indicateur en espèces azotées, une activité enzymatique, un indicateur de protéines, un indicateur de polysaccharides ou une composition de la biomasse.

Selon une caractéristique optionnelle, les conditions d'aération et de temps sont choisies en sorte de contrôler au moins un phénomène choisi parmi une carence nutritionnelle, une inhibition modérée, une pression, une température, un pH, un changement de nature ou de concentration d'accepteurs d'électrons.

Selon une caractéristique optionnelle, les conditions d'aération et de temps sont telles qu'une transformation d'au moins une forme de pollution est poursuivie dans la fraction de boue isolée entre le prélèvement et le recyclage. La forme de pollution dont la transformation est ainsi poursuivie peut être la première forme ou la deuxième forme.

Selon une caractéristique optionnelle, avant le recyclage, on prélève dans la fraction au moins une sous-fraction que l'on isole dans des conditions d'aération et de temps suffisantes pour provoquer le développement d'autres nouvelles fonctions métaboliques capables de consommer une autre forme de pollution, et l'on recycle au moins une partie de cette sous-fraction dans la zone de traitement biologique.

Selon une caractéristique optionnelle, on prélève et isole au moins une deuxième fraction des boues de la zone de traitement biologique dans des conditions d'aération et de temps suffisantes pour provoquer le développement d'autres nouvelles fonctions métaboliques capables de consommer d'autres formes de pollution, et l'on recycle au moins une partie de cette deuxième

fraction dans la zone de traitement biologique, la première et la deuxième fractions de boues étant traitées en parallèle.

Selon une caractéristique optionnelle, le développement de nouvelles fonctions biologiques inclut une prolifération d'une espèce biologique, une modification d'une répartition d'une production d'enzymes intracellulaires, une modification d'une répartition d'émission d'enzymes exo-cellulaires ou une modification d'une dynamique de population d'une espèce.

Selon une caractéristique optionnelle, l'on applique un traitement de concentration à la fraction avant de provoquer dans la fraction un développement de nouvelles fonctions biologiques.

Selon une caractéristique optionnelle, le traitement de concentration est appliqué jusqu'à obtenir une concentration d'au plus 40kg de boue par m ³ de liquide dans le cas où les boues sont majoritairement formées de populations mésophiles. Selon une autre caractéristique optionnelle, les conditions d'aération incluent une concentration en oxygène inférieure à 2 mg d'O2 par litre.

L'invention propose en outre, pour la mise en œuvre du procédé défini ci-dessus, une installation de traitement biologique d'un effluent à traiter contenant au moins deux formes de matière ou pollution organique dont l'une est plus facilement biodégradable que l'autre, l'installation comportant une zone principale de traitement biologique aérée dans laquelle on met l'effluent brut en contact avec des boues biologiques adaptées à consommer la première forme de pollution plus facile à dégrader que la seconde, caractérisé en ce qu'elle comporte une voie de prélèvement d'au moins une fraction des boues biologiques connectée à une zone secondaire, la fraction étant isolée à distance de la zone principale de traitement biologique, dans des conditions d'aération et de temps suffisantes pour provoquer dans cette fraction le développement de nouvelles fonctions biologiques capables de consommer la seconde forme de pollution plus difficile à dégrader, et une ligne de recyclage de cette fraction de boues biologiques vers la zone principale de traitement biologique.

L'installation peut comporter de plus une filière de valorisation de produits d'intérêt, qui peut prendre la forme notamment d'une unité de conditionnement de produits en vue de leur valorisation.

Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe d'une installation de traitement biologique adaptée à la mise en œuvre de l'invention, la figure 2 est un schéma de cette installation dans une forme de réalisation particulière, la figure 3 est un graphique montrant l'évolution au cours du temps de la demande chimique totale en oxygène (abattement de la DCO), de la DCO soluble et de la teneur en polysaccharides, au sein du réacteur de bioactivation de la figure 2, - la figure 4 est un schéma montrant l'évolution au cours du temps des formes azotées au sein du réacteur de bioactivation de la figure 2, la figure 5 est un graphique montrant l'évolution au cours du temps de la teneur en boues dans le bassin de boues biologiques de la figure 2, au cours de deux périodes de référence, - la figure 6 est un graphique montrant l'évolution au cours du temps de la teneur en boues (matières volatiles en suspension MVS, matières en suspension MES et matières sèches MS) au sein du réacteur de bioactivation de la figure 2, la figure 7 est un graphique montrant l'évolution au cours du temps de la teneur en boues dans le réacteur de traitement biologique de la figure 2, au cours des deux périodes de référence, d'une période de recirculation à 30 % et d'une période de recirculation à 100 %, la figure 8 est un graphique analogue à celui de la figure 7, montrant l'évolution au cours du temps de la teneur en boues dans le réacteur de bioactivation de la figure 2, au cours des deux périodes de référence, d'une période de recirculation à 30 % et d'une période de recirculation à 100 %,

la figure 9 est un schéma de principe d'une autre installation conforme à l'invention, comportant plusieurs réacteurs de bioactivation en série, la figure 10 est un schéma de principe d'encore une autre installation conforme à l'invention, comportant plusieurs réacteurs de bioactivation en parallèle, la figure 11 est un graphique des résultats obtenus avec le dispositif de la figure 9, la figure 12 est un schéma de principe d'encore une autre installation conforme à l'invention, comportant une zone de conditionnement entre le réacteur de bioactivation et le réacteur de traitement biologique, et la figure 13 est un schéma d'une autre installation conforme à l'installation, comportant une zone de conditionnement en sortie d'un réacteur de bioactivation.

Description détaillée Deux indicateurs sont couramment utilisés pour la pollution. Le premier est un indicateur quantitatif indiquant la répartition en masse dans laquelle se trouvent les principales composantes Carbone/Azote/Phosphore. Il est utilisé pour mesurer les matières organiques particulaires (par exemple les bactéries), les matières minérales (par exemple les sables), les sels dissous (contenant de l'azote et du phosphore), les matières organiques solubles (telles les protéines ou les polysaccharides). Le deuxième est un indicateur qualitatif, portant sur la répartition en dangerosité pour la santé et l'environnement. Il mesure des perturbateurs endocriniens et des métaux lourds par exemple.

La figure 1 représente une installation 10 de traitement biologique comportant :

• une voie 11 d'arrivée d'effluent brut, tel qu'une eau usée,

• un réacteur principal de traitement biologique 12, ici muni d'une arrivée d'air 13 grâce à laquelle le réacteur 12 est un réacteur aéré (aération continue ou séquencée, avec dans ce cas présence de phases temporelles adaptées à provoquer un traitement aérobie pour le carbone et l'ammoniaque, puis un traitement anoxie pour les nitrates, puis un traitement anaérobie pour le phosphore),

• un concentrateur 14 connecté, ici en partie basse, à une sortie du réacteur de traitement biologique 12,

• un réacteur de bioactivation 15, ici aéré grâce à une arrivée d'air 16, connecté à la sortie du réacteur de concentration, • une ligne de recirculation de boues bio-activées 17, connectée entre une sortie, ici en partie basse, du réacteur de bioactivation 15, et une entrée, ici en partie basse, du réacteur de traitement biologique 12 - la ligne de recirculation 17 comporte avantageusement une pompe 18,

• une ligne 19 d'évacuation de boues en excès connectée à une sortie du réacteur de traitement biologique et comportant une pompe 20,

• une voie de sortie d'eau traitée 21 , connectée à une sortie, ici en partie haute, du réacteur de traitement biologique, et

• une voie de sortie 22, connectée à une sortie du réacteur de bioactivation, ici en partie haute et pouvant aboutir d'une part au réacteur de traitement biologique et/ou d'autre part à une sortie de l'installation.

Une telle installation permet de mettre en œuvre un procédé de traitement biologique d'un effluent brut, capable de contrôler le métabolisme de la biomasse, comportant principalement les étapes suivantes : a) un effluent à traiter arrivant par la voie 11 est mis en contact avec, principalement, des cultures libres faisant partie de boues biologiques, dans au moins un bassin ou réacteur de traitement biologique 12 ; b) une fraction des boues du réacteur de traitement biologique est envoyée, à un taux défini, vers un (voire plusieurs) réacteur(s) de bioactivation 15 qui est (ou sont) isolé(s) vis-à-vis du réacteur 12 et qui peut (ou peuvent) être individuellement aéré(s), ou micro aéré(s) (c'est-à-dire aéré avec un bullage de taille micrométrique), ou anaérobie, de façon à opérer des adaptations biologiques de l'état des biomasses de cette fraction sous l'influence de divers facteurs (seuls ou combinés) tels qu'une carence nutritionnelle, une inhibition modérée (c'est-à-dire une carence nutritionnelle modérée), la pression, la température, le pH, le changement d'accepteur d'électrons (cette liste n'étant pas limitative),

c) pour chaque réacteur de bioactivation, une boucle de recirculation 17 assure le couplage avec le réacteur de traitement biologique 12, et permet de renvoyer entre 30 et 300 % des boues bioactivées vers le réacteur de traitement biologique 12. On précise que le taux de recirculation est défini par rapport à la production de boue de référence, mesurée au niveau de la purge du réacteur de boues activées.

Le temps de séjour des boues dans le réacteur de bioactivation 15 est contrôlé par la mesure de paramètres représentatifs de l'état biologique de la boue qui y est isolée (matières en suspension, formes azotées, DCO soluble et totale, activité enzymatique, protéines, polysaccharides, composition de la biomasse, ...) et est spécifique à chaque type de boues.

Le taux de recirculation, spécifique au traitement dans chaque réacteur de bioactivation, est fonction de l'état biologique de la boue biologique et de la boue bioactivée.

Une cuve, située après la zone de bioactivation 15 mais avant le retour au bassin de boues biologiques 12, peut être ajoutée (voir la figure 12), afin de permettre la conservation de l'état de la biomasse (espèces biologiques adaptées, enzymes spécifiques, production de produits d'intérêts) dans un état tel que leur renvoi dans le réacteur de traitement biologique permette une dégradation de la matière organique plus poussée et/ou de conditionner les composés d'intérêts produits afin de pouvoir les valoriser vers une autre filière.

Une étape préalable d'épaississement des boues en excès est avantageusement réalisée dans la zone 14 par tout moyen permettant l'épaississement de la boue (au maximum de 40 kg/m ³ pour les populations mésophiles). L'épaississement peut se faire, par exemple, à l'aide d'une technique membranaire, d'une table d'égouttage, d'un épaississeur statique, d'un tambour rotatif, etc.

L'épaississement, qui est optionnel, sert d'une part, dans le cas de boues non épaisses, à augmenter la surface de contact substrat-biomasse, et d'autre part, à réduire le volume du bassin. Un mélangeur peut assurer une

homogénéité dans le cas de boues épaissies, mais au-delà d'un certain seuil (40 kg/m ³ ), le transfert d'oxygène n'est plus efficace.

Le réacteur de bioactivation peut aussi fonctionner avec diverses familles de bactéries telles que les psychrophiles ou les thermophiles, par exemple, en adaptant les condjtions de fonctionnement du réacteur.

De manière générale, l'invention peut être mise en œuvre avec tout procédé de traitement biologique d'effluents pollués et de déchets. En particulier, le traitement biologique peut s'effectuer à l'aide de procédés conventionnels éliminant le carbone, l'ammonium ou les nitrates, par exemple les boues activées, les BRM (BioRéacteurs à Membranes), ou les MBBR (Moving Bed BioReactors).

Une mise en œuvre a été réalisée à titre d'exemple durant 21 jours.

Les boues activées (dans le cas de l'exemple) sont concentrées entre 4 et 40 g/L par décantation (ce choix n'est pas impératif) et placées dans une colonne aérée (servant de zone de bioactivation) en continu pour favoriser la croissance bactérienne sans apport de nutriments.

L'apport amoindri de nutriments vers le réacteur de bioactivation, du fait de son isolement, amène les bactéries en état de carence nutritive qui engendre un état d'adaptation de la biomasse. Un suivi des paramètres biologiques et de la concentration en boue a été effectué. Le suivi, dans le réacteur de bioactivation, se fait sur la base des mesures de la DCO soluble et des nitrates, auxquelles d'autres paramètres peuvent être ajoutés comme l'ion NhU ⁺ , les protéines, les exopolysaccharides ou l'activité cellulaire qui permettent une analyse continue et in-situ et donc un contrôle (ou commande) fin.

A partir d'un temps compris entre 1 et 21 jours, on observe un état biologique spécifique de la biomasse à peu près constant, c'est-à-dire un palier.

En service, le réacteur de bioactivation 15 est contrôlé pour fonctionner en permanence dans des conditions équivalentes au point d'atteinte du palier pour que la dégradation de la matière polluante ait lieu après la recirculation dans le bassin biologique de traitement des effluents.

En d'autres termes, on privilégie, dans la fraction de boues isolée dans le réacteur de bioactivation, l'apparition de bactéries capables de dégrader au moins l'une des formes de pollution présentes, car non dégradées spontanément dans le réacteur de traitement biologique. De plus il est avantageux de ne pas laisser cette nouvelle espèce bactérienne se développer au sein du réacteur de bioactivation, mais de l'envoyer se nourrir dans le réacteur de traitement biologique.

Les boues épaissies et activées font l'objet d'une recirculation dans le réacteur de traitement biologique amont afin d'augmenter l'activité enzymatique au sein du réacteur biologique des effluents et permettre la solubilisation de la pollution difficilement biodégradable réduisant ainsi la production de boues du système et/ou augmentant ainsi la production de composés d'intérêts.

Le volume recirculé est choisi suivant l'état de la biomasse. Le temps de séjour dans la zone de bioactivation est prédéterminé en fonction du type de boue.

Comme indiqué ci-dessus, une étape de conditionnement supplémentaire peut être rajoutée en vue de la mise en conditions des composés d'intérêts avant recirculation et/ou valorisation vers une autre filière. Des composés d'intérêt peuvent être le charbon actif, des enzymes (par exemple des protéases, des carbohydrases, des lipases ou des oxydases), des bioplastiques, des biopesticides et des biogaz, entre autres.

Exemple 1 : procédé mono-bioactivation

En référence à la figure 2, un exemple de réalisation du procédé selon l'invention impliquant une unique bioactivation (procédé mono bioactivation) est présenté.

L'eau traitée est une eau usée de milieu urbain contenant 150 mg/L de MES, une DCO totale de 500 mg/L, une DCO soluble de 250 mg/L, une concentration en azote (équivalent ammoniaque) de 35 mg/L, une NGL (azote global) de 50 mg/L, et une concentration en phosphore (équivalent phosphate) de 6 mg/L.

Des eaux usées dégrillées 61 sont introduites de façon séquencée ou continue dans une cuve 62 de boues activées. Par exemple, elles sont introduites avec un flux continu de 130 L/h. La cuve de boues activées a un volume de 1100 L. Lorsque la cuve 62 n'est pas alimentée par une pompe, l'eau retourne en boucle fermée à un bac de stockage. Un agitateur permet d'homogénéiser les effluents entrants avec la boue activée présente mais ne doit pas casser les flocs. Une aération de type fines bulles aère le mélange afin de permettre la croissance bactérienne ainsi que les processus de décarbonatation et de nitrification/dénitrification.

La boue entre 3 et 5 g/L est évacuée vers un réacteur de bioactivation 64, de volume compris entre 80 et 350 L. Le transfert de cette boue de la cuve de boues activées au réacteur de bioactivation est noté en référence 63. Le flux transféré vers le réacteur de bioactivation est de 44 à 264 U]. Des boues en excès 66 quittent également la cuve de boues activées. Le taux de traitement des boues est de 30 à 600 %.

Les membranes planes jouent le rôle de clarificateur, c'est-à-dire de séparateur des boues de l'eau claire. Le perméat soutiré est analysé pour connaître sa teneur en nitrates afin de réguler la nitrification/dénitritication séquencée. Un système d'aération permet d'éviter le colmatage des membranes.

Un volume de boues activées est introduit de façon séquencée au sein du réacteur de bioactivation. La boue est épaissie jusqu'à 20-25 g/L grâce à deux modules membranaires immergés. Le perméat soutiré 67 est analysé pour connaître sa teneur en nitrates afin de réguler la nitrification/dénitrification séquencée. Le flux en sortie est de 110 L/h et est en mode séquence (8 minutes sur 10), ce qui permet d'éviter le colmatage des membranes. Une aération de type grosses bulles au niveau des membranes permet d'éviter leur colmatage et une aération fines bulles au fond de la cuve permet la croissance bactérienne.

Les conditions imposées (temps de séjour biologique), dépendent de la nature de la boue du bassin de boues activées et permettent l'augmentation

de l'activité enzymatique. Dans l'exemple décrit, ce procédé est mis en œuvre de telle sorte que le temps de séjour biologique (c'est-à-dire le temps de séjour dans la cuve de bioactivation 64) soit préférentiellement de 7 jours.

Un volume de boue à 20-25 g/L (repère 65) est recirculé quotidiennement vers la cuve de boues activées par une pompe volumétrique, de manière à dégrader la DCO particulaire et donc de réduire la production de boues.

Sur la figure 3, la DCO totale (Dt), la DCO soluble (Ds) et les polysaccharides (P) de la boue placée en stabilisation aérobie sont suivis en fonction du temps.

Cela permet de connaître la durée du palier (zone où la DCO n'évolue plus, et où il y a une sélection et une « bioactivation de la flore ») ; et donc le temps nécessaire à l'adaptation des bactéries au milieu : 3 à 9 jours dans l'exemple ci-dessus, où la DCO soluble passe de 50 mg/L à environ 450 mg/L et les polysaccharides de 5 à environ 150 mg/L.

Si la DCO augmente, c'est qu'il y a solubilisation. Ainsi la matière est transformée et libère dans la boue de la pollution soluble donc plus facilement assimilable. Lorsque l'on arrive au palier de DCO totale, la bioactivation est à son maximum. Les enzymes ou espèces mises en place permettent la transformation de la matière.

De même, sur la figure 4, on a suivi l'azote total (Nt), l'azote soluble (Ns) ainsi que les nitrates (Ni) en fonction du temps.

On retrouve le même palier qui commence à partir du 3 ^eme jour : augmentation des nitrates de 2 à 100 mg/L et donc parallèlement de l'azote soluble mais pas de l'azote total qui reste stable à environ 600 mg/L.

Les mesures permettent ainsi de constater une évolution des formes azotées parallèlement à la solubilisation de la DCO.

Le procédé implique un fonctionnement biologique stabilisé compte tenu d'une répétition du cycle de prélèvement d'une fraction de boues, son isolement, puis sa réinjection selon un taux de recirculation donné.

La figure 5 représente le suivi de la teneur en boues du bassin de boues activées (l'échelle des ordonnées étant logarithmique). La concentration

en MES (Matières En Suspension) de la boue activée est stable aux alentours de 5 g/L. Il en est de même de la concentration en MS (matières sèches) et en MVS (matières volatiles en suspension). Sur cette figure apparaissent deux périodes de référence, c'est-à-dire des périodes pendant lesquelles le bassin de boues activées fonctionne en régime stable.

La figure 6 représente l'évolution de la teneur en boues dans le réacteur de bioactivation (il y a une seule période de référence car la mise en route de la bioactivation a été effectuée une fois que la boue activée s'est stabilisée). La teneur (représentant les diverses matières contenues dans ces boues) est stable. La concentration en MES est de 18 g/L, la concentration en MS est de 20 g/L et celle en MVS est de 15 g/L. Elles sont obtenues avec un processus d'épaississement, et sont très satisfaisantes. Le volume de boue est diminué, et l'aération est néanmoins satisfaisante. Par la suite, la recirculation est mise en place.

Les figures 7 et 8 représentent respectivement l'évolution de la boue dans le bassin de boues activées (BA, figure 7) et dans la zone de bioactivation (Bl, figure 8) en différentes phases de recirculation.

Pendant les premières semaines, à un taux de recirculation réduit (30% en masse, zone R), les résultats montrent une stabilité des concentrations des deux bassins : la boue activée dans le bassin principal est à environ 6 g/L et la boue bioactivée dans le bassin de bioactivation à 20 g/L.

Lors de l'augmentation du taux de recirculation à 100 % (zone E pour taux de recirculation élevé) on peut remarquer, après seulement deux semaines, une chute significative de la teneur en boues dans les deux bassins. Ainsi, on obtient une réduction de la teneur en matières dans les bassins (respectivement 4,5 g/L et 16 g/L), d'où une réduction de production de boues à la sortie de l'installation.

Exemple 2 : mise en œuyre du procédé avec des cuves en série La figure 9 représente schématiquement une installation 210 similaire à celle de la figure 1 , mais comportant plusieurs réacteurs de bioactivation en série, chacun d'entre eux imposant des conditions différentes

afin de favoriser différentes réactions enzymatiques et donc enrichir la biodiversité. De plus, le ou les produits des réactions d'un réacteur amont sont ensuite utilisés comme substrats des réactions d'un réacteur aval. Dans l'exemple décrit, le carbone est converti en acides gras volatiles, et ceux-ci sont transformés en méthane ou en biopolymères PHA.

Les éléments similaires à ceux de la figure 1 sont repérés par un nombre découlant de celui de la figure 1 par addition du nombre 200, les réacteurs étant repérés 215A, 215B et 215C.

On peut noter qu'il y a une ligne de réinjection (ou recirculation) 217 pour chaque réacteur de bioactivation. Il s'agit d'une sortie concentrée (en bas, contenant des boues bioactivées). Il y a également pour chaque réacteur une sortie claire (en haut), dont le flux peut faire l'objet d'une recirculation partielle vers le réacteur 212 (voie 222) si l'on souhaite contrôler le temps de séjour de certaines fractions solubles différemment du temps de séjour des boues activées. Enfin, une voie de sortie hors de l'installation est également prévue pour chaque réacteur (vers le bas).

En variante non représentée, le flux de sortie des réacteurs 215A et 215B se partagent entre le réacteur suivant (215B et 215C respectivement) et une ligne commune de réinjection 217 ; ce qui peut permettre de faire varier les proportions de transmission au réacteur suivant et de réinjection.

On suit également différents paramètres en fonction des matières à dégrader ou à produire. Un montage de cuves en série permet d'effectuer des réactions en chaîne, chaque cuve effectuant un maillon de la chaîne de réaction. Le rendement final est plus élevé. Dans l'exemple décrit, on obtient

0.6g d'AGV par gramme de DCO, puis 0.65 g de méthane par gramme de carbone. Dans un autre exemple, on obtient 0.6 g d'acide gras volatile par gramme de DCO, puis 0.11 g de biopolymères PHA par gramme de DCO. Sans traitement en série, le rendement serait divisé par un facteur deux, environ. Exemple 3 : mise en œuyre du procédé avec des cuves en parallèle

La figure 10 représente une installation 110 similaire à celle de la figure 1 à ceci près qu'au lieu d'un seul réacteur de bioactivation, il y en a

plusieurs (115A, 115B, 115C), montés en parallèle, chacun d'entre eux pouvant imposer des conditions différentes afin de favoriser plusieurs réactions enzymatiques différentes et donc enrichir la biodiversité, de manière à permettre l'obtention de plusieurs produits différents, chacun pouvant être valorisé. Par exemple, dans le cas de la conversion de matière carbonée, on peut extraire les acides gras volatiles produits, sans qu'ils soient transformés en biopolymères PHA.

Sur cette figure 10, les éléments similaires à ceux de la figure 1 sont désignés par des nombres de référence découlant de ceux de cette figure 1 par addition du nombre 100 ; les divers réacteurs de bioactivation sont repérés 115A, 115B et 115C.

Dans l'exemple ici schématisé, la recirculation de tout ou partie du contenu de ces réacteurs de bioactivation pourrait être assurée par une même ligne, mais il y a une ligne de reinjection pour chaque réacteur 115A à 115C, les lignes étant numérotées 118A, 118B, 118C. Une voie de sortie hors de l'installation est prévue pour chaque réacteur, sur la droite du schéma.

A titre d'exemple, on conditionne le réacteur 115A en sorte de provoquer l'apparition d'une espèce biologique capable de consommer les substrats difficilement dégradables A, on conditionne le réacteur 115B en sorte de provoquer l'apparition d'une autre espèce biologique capable de consommer les substrats difficilement dégradables B et on conditionne le réacteur 115C en sorte de provoquer le développement d'une espèce biologique capable de consommer les substrats difficilement dégradables C.

Ce montage permet de procéder à des dégradations dans des conditions de bioactivation différentes dans les différentes cuves.

On suit différents paramètres en fonction des matières à dégrader ou à produire. Par exemple, on peut suivre des protéines ou des fibres si on veut dégrader de tels substrats. On peut aussi suivre la diminution de l'oxygène dissous, ou l'apparition d'acides gras volatiles, ou d'autres paramètres. Dans l'exemple décrit, dans le premier réacteur 115A, des acides gras volatils sont produits pour être ensuite extraits du procédé.

Dans le deuxième réacteur 115B, des biopolymères PHA sont produits et également extraits du procédé.

Dans le troisième réacteur, on joue sur les conditions environnementales pour favoriser l'activité enzymatique (par exemple les protéases) et dégrader la matière. Dans ce réacteur, la dégradation de la pollution est favorisée.

On obtient les valeurs numériques suivantes : rendement en acides gras volatiles 0.6g par gramme de DCO ; rendement en biopolymères 0.11 g par gramme de DCO ; rendement en protéases 0.01 g par gramme de carbone. A l'équilibre, c'est-à-dire en phase d'exploitation, la production obtenue est 230 g par jour de biopolymères PHA et 1250 g par jour d'acides gras volatils. On effectue une recirculation de 2060 g de protéases par jour afin de favoriser la dégradation de la matière dans le bassin de boues activées.

La figure 11 présente les rendements obtenus en biopolymères PHA, en acides gras volatils et en protéases avec et sans application du procédé, les valeurs en ordonnées étant des grammes par jour. L'effet du procédé est clairement visible.

Exemple 4 : mise en œuyre du procédé avec conditionnement

La figure 12 représente une installation 310 similaire à celle de la figure 1 à ceci près qu'une étape de conditionnement supplémentaire, référencée 330, non obligatoire, est ajoutée sur la ligne de réinjection entre la sortie du réacteur de bioactivation 315 et l'entrée dans le réacteur de traitement biologique 312.

Cette étape de conditionnement a pour objet la mise en condition des composés d'intérêt avant recirculation et/ou valorisation, ceci dans le but d'augmenter l'efficacité de la production de composés d'intérêts (enzymes, biopolymères, ...).

Sur la figure 12, des éléments similaires à ceux de la figure 1 sont affectés de nombres de référence découlant de ceux de la figure 1 par addition du nombre 300.

Exemple 5: autre mise en œuyre du procédé avec conditionnement

La figure 13 représente une installation 410 similaire, qui implique dans ce cas particulier un réacteur de bioactivation 415 micro-aéré ou non aéré produisant des acides gras volatils par acidogénèse, selon un processus de fermentation. Ce réacteur 415 est installé en relation avec un réacteur de traitement biologique 412 aéré. L'entrée d'eau usée est référencée 411 , et une voie d'alimentation du réacteur de bioactivation par le réacteur de traitement biologique est notée 414, et implique un processus d'épaississement, ou n'en implique pas. Les boues en excès sortent du réacteur de traitement biologique par la voie 420, et l'eau traitée par la voie 421.

Dans le cadre de cet exemple particulier, on met également en œuvre un procédé de séparation, référencé 408, suivi d'un procédé de précipitation d'azote et/ou de phosphore. Ces deux étapes sont optionnelles.

On met également en œuvre un réacteur de bioactivation à conditionnement aéré, référencé 409, et comprenant deux cuves. En sortie de la première cuve de ce réacteur, on obtient une production de microorganismes 430 capables d'accumuler des biopolymères, par bioaugmentation, c'est-à-dire enrichissement en bioorganismes. En sortie de la deuxième cuve, on obtient une production de biopolymères 440.