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

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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

6

• Les biomedias et ceux des constructeurs

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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

9

Application : MBBR “Pur”

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).

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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)

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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

17

18

19

L’aération

20

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

21

22

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

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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

33

Le flottateur

Flottateur de (St Sorlin d’Arves) 17 000 Eq Ha

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

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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.

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Eléments de coût

• Dépend :

• du traitement : prétraitement, azote, carbone, phosph ore….• du biomedia utilisé• des normes de rejets

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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 ».

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• 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.

47

Merci de votre attention.