Analyse des mécanismes physico-chimiques et biochimiques en vue d'optimiser le traitement biologique aérobie des résidus lipidiques

par Xavier Lefebvre

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Michel Roustan.

Soutenue en 2001

à Toulouse, INSA .

mots clés

• Eaux usées -- Épuration -- Traitement biologique
• Acides gras
• Glycérides
• Commande de processus biotechnologiques
• Transfert de chaleur

Résumé

Les résidus lipidiques sont des rejets très concentrés, traités par des bioréacteurs à alimentation séquentielle. Ces procédés subissent des dysfonctionnements importants et chroniques, liés en particulier à l'apparition de mousse. Nous avons étudié les mécanismes physiques, chimiques et biochimiques inhérents à la dégradation de ces résidus afin de proposer des stratégies de conduite des procédés, fiabilisant le traitement. Majoritairement composées d'acides gras longues chaînes, les graisses de consistance pâteuse vont se répartir aux interfaces eau/air et eau/flocs biologiques. Dans le mode de fonctionnement du procédé industriel (pH 7, Substrat/Micro-organismes (S/X) de l'ordre de 0,1 g/g), plus de 97% des graisses sont adsorbées sur la biomasse et devront se solubiliser par un processus pH?dépendant (pKa = 8) pour être assimilées par les micro-organismes. La cinétique de dégradation est ainsi limitée par la solubilisation de ces graisses et s'apparente à une réaction d'ordre 1 (k = 0,5 j-1, T = 25ʿC). L'étude du moussage en fonction de facteurs déterminants pH, S/X et [graisses]solubles a permis d'identifier deux mécanismes distincts de formation de la mousse qui sont un moussage de type savons et un moussage stabilisé par la biomasse. Le pouvoir moussant et les facteurs déclenchants de ces mousses ont été déterminés, ce qui nous a permis de proposer, à l'aide d'une modélisation adaptée, différentes stratégies opératoires (alimentation continue, conditionnement des graisses) pour assurer un fonctionnement fiable vis-à-vis du moussage (pH < 7,5 ; S/X < 0,3 g MVS/g MEH ; Ssoluble < CMC). Une étude de sensibilité partielle du modèle vis-à-vis des paramètres taux de dégradation et rendement de croissance a été réalisée. Elle nécessiterait d'être approfondie pour améliorer la représentativité des simulations vis-à-vis des installations industrielles.

Titre traduit

Analysis of the physical, chemical and biochemical mechanisms for the optimisation of the grease residues aerobic biological removal

Résumé

Grease residues are high concentrated semi-solid waste, treated by sequential batch reactor. Foaming makes the treatment process unreliable. Physical, chemical and biochemical processes evolving during the grease residues degradation are analysed for the design of optimal reactor monitoring. Insoluble fatty acids are main compounds. Semi-solid grease sorbs to water/air and water/flocs interfaces. In reactor operation conditions (pH = 7, Substrate/Micro-organisms (S/X) = 0. 1 g/g), more than 97% of grease is sorbed to biomass and must be solubilised by a pH-dependent process (pKa = 8) before their biological assimilation. The degradation kinetics is controlled by the sorbed grease solubilisation. The reaction order is 0 (k = 0. 5 day-1, T = 25ʿC). Two foaming mechanisms are identified. The inhibition conditions are determined (pH < 7,5 ; S/X < 0. 3 g VS/g HEM ; Ssoluble < CMC). Different optimal operation modes, based on modelling, are proposed. A partial parameters sensitivity analysis (degradation and biomass yield) is performed.