Etude de la biodégradabilité de boues secondaires soumises à un traitement thermique à 65°C et du couplage digestion anaérobie et digestion thermophile aérobie pour la réduction de boues

par Sergio Perez Fabiel

Thèse de doctorat en Génie des procédés de l'environnement

Sous la direction de Etienne Paul et de Xavier Lefebvre.

Soutenue en 2009

à Toulouse, INSA .


  • Résumé

    Les boues produites par les stations d’épuration sont considérées comme des déchets. Elles doivent par conséquent être éliminées en respectant les nouvelles contraintes réglementaires, environnementales, sanitaires, économiques voire psychologiques. Ces contraintes obligent à rationnaliser le traitement de ces boues. La réduction de la production de boue peut constituer un moyen pour leur meilleure gestion. Cette étude s’est intéressée à évaluer l’effet d’un traitement thermique à 65°C sur (i) la biodégradabilité des matières particulaires des boues, (ii) le devenir des activités biologiques et chimiques et (iii) la déstructuration des flocs et particules. Elle a ensuite conduit à développer et à caractériser un nouveau procédé couplé constitué d’un réacteur hyper-thermophile aérobie et d’un système conventionnel de digestion anaérobie mésophile en vue de réduire la production de boues d’une station d’épuration de grande taille. Lors de tests en réacteurs fermés, la solubilisation de la matière organique intervenant à 65°C n’engendre pas de modification de sa biodégradabilité et, par conséquent, le caractère particulaire ou adsorbé de cette matière organique ne constitue pas une limitation pour les dégradeurs biologiques. De plus, le fractionnement de la matière selon les deux propriétés, biodégradabilité et taille, a conduit à proposer un modèle de floc biologique, celui-ci pouvant être constitué d’un squelette organique réfractaire, stabilisé par une fraction minérale, sur lequel est adsorbée une matière organique dite « solubilisable » à 65°C et, surtout, qui est majoritairement biodégradable. Puis, le suivi des activités enzymatiques hydrolytiques a montré la forte spécificité des enzymes relarguées vis-à-vis de la température d’opération, réduisant les possibilités de synergie entre les conditions opératoires mésophiles et thermophiles en absence de développement de populations microbiennes adaptées. Ces observations ont naturellement conduit à l’élaboration d’un procédé continu couplé. L’étude de ce réacteur couplé a permis de mettre en évidence la cohabitation de populations microbiennes aérobies hyperthermophiles et anaérobies mésophiles et de quantifier leur complémentarité vis-à-vis de la biodégradation de la matière des boues biologiques. La configuration en réacteur couplé est adaptée pour intensifier le processus de désintégration et biodégradation du «squelette » du floc qui intervient simultanément à la solubilisation des sels, éléments structurants. Ainsi, une biodégradabilité ultime de 61% de la DCO de boues secondaires a été atteinte, valeur bien supérieure aux valeurs classiquement citées dans la littérature pour ce type de boues. Pour un temps de séjours des boues de 42 jours, le rendement de biodégradation mesuré pour ces boues est de 52%. Dans les conditions de pilotage testées, ce gain de rendement n’a pas engendré d’augmentation du rendement de production de méthane, confirmant que la dégradation supplémentaire a lieu en conditions aérobies. Le procédé couplé apparaît comme un procédé de réduction de la production de boue potentiellement intéressant car il associe réduction de la matière organique, solubilisation poussée de la matière organique et minérale, et peut être, une certaine hygiénisation

  • Titre traduit

    Study of the biodegradability of secondary sludge under to thermal treatment at 65°C and coupling of anaerobic digestion with a thermophilic aerobic digestion to reduce the excess sludge production


  • Résumé

    The sludge produced by sewage treatment plants is regarded as a waste which has to be eliminated within the new regulatory, environmental, health, economic or psychological constraints. These constraints force to consider rationally the sludge treatment. The reduction in the production of sludge can be a way for a better management. This study focused on evaluating the effect of a thermal treatment at 65°C on (i) the biodegrability of the particular matter of sludge, (ii) the fate of chemical and biological activities and (iii) the breakdown of flocs and particles. Then this study led to develop and characterize a new coupled process consisting of a hyper-thermophilic aerobic system and a conventional mesophilic anaerobic digestion to reduce the production of sludge from large sewage treatment plant During tests in batch reactors, the solubilization of the organic matter occurring at 65 ° C does not change its biodegradability, and therefore the particular or adsorbed type of that organic matter is not a limitation for the microorganisms in charge of the biodegradation. Moreover, the the breakdown of the organic matter by two properties, biodegradability and size, has led to propose a model of biological floc, which can be a refractory organic skeleton, stabilized by a mineral fraction which adsorb a certain organic matter called "soluble" at 65 ° C and especially, which is mostly biodegradable. Then, the monitoring of hydrolytic enzyme activities has showed the strong enzyme specificity of the enzymes released because of the temperature of operation, reducing the opportunities for a synergy between the mesophilic and thermophilic operating conditions in the absence of development of an adapted microbial population. Those observations have naturally led to implement a coupled continuous process. The study of this coupled reactor has identified the coexistence of a hyperthermophilic aerobic and an anaerobic mesophilic microbial population and has quantified their complementarity regarding the biodegradation of the biological sludge organic matter. The configuration of a coupled reactor is adapted to intensify the breakdown process and the biodegradation of the "skeleton" of the floc which occurs simultaneously with the salts solubilization, structuring elements. Thus, an ultimate biodegradability of 61% of the secondary sludge COD has been reached, which is bigger than the typicalvalues cited in the literature for this type of sludge. For a sludge retention time of 42 days, the degradation rate measured for that sludge was 52%. In the condition of the pilot tested, this gain of performance did not cause an increase in the methane production yield, confirming that the further biodegradation took place in the aerobic conditions. The coupled process appears as a reducing sludge production process potentially interesting because it combines the reduction of organic matter, solubilization promoted of the organic and mineral matter, and perhaps, certain sanitation

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  • Détails : 1 vol. (197 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 182-197

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  • Cote : 2009/967/PER

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