Traitement par ultrasons pour la digestion aérobie des boues activées en excès
La sonication de haute puissance désintègre les boues activées en excès (WAS) avant ou pendant la digestion aérobie. La cavitation acoustique brise les flocs de boues, désorganise les substances polymériques extracellulaires et ouvre les cellules microbiennes. La matière organique auparavant protégée devient ainsi plus accessible au digesteur aérobie.
Dans un procédé aérobie, l’objectif n’est pas d’augmenter la production de biogaz. L’amélioration du rendement en méthane concerne la digestion anaérobie. Dans un digesteur aérobie, les indicateurs de performance pertinents sont la destruction des solides volatils, la consommation d’oxygène, la durée de digestion, les matières sèches résiduelles, l’aptitude à la déshydratation et le coût d’exploitation total.
Les sonicateurs industriels Hielscher s’intègrent dans une conduite de WAS pompée ou dans une boucle de recirculation du digesteur. Les réacteurs à cellule à circulation à ultrasons concentrent le traitement sur un flux de boues défini et permettent de surveiller le procédé par la puissance, le débit, la concentration en matières solides, la pression et la température. Le résultat est un rééquipement compact qui permet d’ajouter la désintégration des boues par ultrasons sans remplacer le digesteur aérobie existant.
Skid à circulation en ligne à ultrasons industriel Hielscher pour le traitement des WAS épaissies
Pourquoi les boues activées en excès sont difficiles à digérer
Les boues activées en excès sont les matières solides biologiques excédentaires extraites d’un procédé de traitement des eaux usées par boues activées. Elles contiennent des micro-organismes, des substances polymériques extracellulaires (EPS), de la matière organique captée et des matières solides inertes.
Dans le clarificateur secondaire, les boues activées décantées sont réparties en deux flux :
- Les boues activées de recirculation (RAS) sont renvoyées dans le bassin d’aération afin de maintenir la concentration de biomasse requise.
- Les boues activées en excès (WAS) sont retirées du procédé de traitement de la phase liquide et dirigées vers l’épaississement, la stabilisation, la digestion ou la déshydratation.
Les WAS contiennent une forte proportion de matériel cellulaire microbien. Une grande partie de leur contenu organique biodégradable est enfermée par des parois cellulaires ou liée à l’intérieur de flocs de boues compacts. Cette protection physique ralentit la lyse cellulaire naturelle et l’hydrolyse.
Pendant la digestion aérobie, de l’oxygène est apporté alors que peu de nouveaux nutriments sont disponibles. Les micro-organismes entrent en respiration endogène et consomment les réserves stockées, les cellules mortes et d’autres composants biodégradables des boues. L’objectif est de stabiliser les boues, de réduire le potentiel d’odeurs et de diminuer la quantité de solides volatils à déshydrater et à éliminer.
La vitesse de digestion est souvent limitée par l’accès au substrat. Un digesteur peut disposer de micro-organismes actifs et d’un temps de séjour suffisant, mais la matière organique contenue dans les cellules intactes et les flocs denses reste difficile à atteindre.
Comparaison de flocs non traités avec des boues soniquées : la sonication réduit considérablement les flocs.
Étude et images : ©Chu et al. 2001
Comment la cavitation ultrasonore ouvre les WAS à la digestion aérobie
Les sonicateurs industriels Hielscher fonctionnent à 20kHz et génèrent une cavitation acoustique intense dans les flux de liquides et de suspensions. Les bulles de cavitation se forment, grossissent et implosent au sein des boues. Leur implosion crée de puissantes forces de cisaillement locales qui agissent directement sur les flocs, les EPS et les cellules microbiennes.
Le traitement par ultrasons produit trois changements importants dans les WAS :
Désintégration des flocs
La cavitation brise les agrégats de boues et expose des surfaces qui étaient auparavant enfermées par des substances polymériques extracellulaires (EPS). Les boues traitées contiennent des particules plus petites et présentent une surface accessible plus grande.
Rupture des EPS et des cellules
La désintégration assistée par ultrasons augmente la biodégradabilité aérobie des boues activées en excès municipales en décomposant les flocs de boues résistants et en libérant la matière organique piégée. La cavitation ultrasonore rompt les membranes et les parois cellulaires. Les protéines et les glucides ainsi que d’autres composés intracellulaires passent dans la phase liquide.
Biodisponibilité accrue
Les micro-organismes aérobies peuvent consommer la matière organique soluble et finement divisée plus facilement que les cellules microbiennes intactes et les flocs compacts. La sonication réalise donc mécaniquement une partie du travail de lyse et d’hydrolyse avant l’étape d’oxydation biologique.
La sonication cible l’épaisse matrice protectrice des boues d’épuration afin de rendre la digestion microbienne beaucoup plus rapide et plus efficace. Cela se traduit couramment par une augmentation de la demande chimique en oxygène soluble (SCOD).
Réacteur à circulation à ultrasons industriel pour une meilleure digestion des WAS
Avantages de la sonication dans les installations de digestion aérobie
La réponse dépend des boues et de la dose ultrasonore. Lorsque la sonication augmente la biodégradabilité aérobie, une station d’épuration des eaux usées peut obtenir :
- Une destruction accrue des solides volatils pour la durée de digestion existante
- Une stabilisation des boues comparable avec un temps de séjour plus court
- Une production réduite de matières sèches résiduelles
- Une capacité effective supplémentaire à partir d’un digesteur aérobie existant
- Une réduction du transport et de l’élimination des biosolides
- Une meilleure stabilité du procédé pendant les périodes de forte charge en matières solides
- Un meilleur contrôle des organismes filamenteux grâce à la rupture des flocs et des cellules
Sonicateurs Hielscher en ligne pour un rééquipement facile
À pleine échelle, il est généralement plus efficace de soniquer un flux de boues concentré que l’ensemble du volume du digesteur aérobie. Les réacteurs à cellule à circulation à ultrasons Hielscher permettent deux configurations pratiques.
Prétraitement sur la conduite d’alimentation en WAS
Le système à ultrasons est installé après l’épaississement des WAS et avant le digesteur aérobie :
WAS épaissies -> pompe d’alimentation -> cellule à circulation à ultrasons Hielscher -> digesteur aérobie
Cette disposition traite un débit massique de matières sèches défini et fournit une base claire pour contrôler l’apport d’énergie ultrasonore spécifique.
Schéma de procédé : WAS épaissies -> pompe d’alimentation -> sonicateur en ligne industriel Hielscher UIP6000hdT -> digesteur aérobie
Recirculation du digesteur ou traitement en dérivation
Une fraction contrôlée des boues est pompée depuis le digesteur ou la conduite de boues à travers le sonicateur, puis renvoyée dans le procédé. Cette configuration est utile lorsque la conduite d’alimentation existante est difficile à modifier ou lorsque seule une fraction sélectionnée des boues doit être traitée.
Les deux dispositions peuvent être installées sous forme de skids compacts comprenant une pompe, une cellule à circulation à ultrasons, des vannes d’isolement, un bypass de service, une mesure de la pression et de la température, des points d’échantillonnage et des commandes de procédé. La cuve du digesteur existante reste inchangée.
Le traitement par ultrasons est donc particulièrement adapté au rééquipement des stations d’épuration existantes. Le skid à ultrasons peut être installé dans une conduite pompée, fonctionner de manière indépendante et être contourné par le bypass lors des inspections ou de la maintenance.
Améliorez la désintégration aérobie des boues grâce aux ultrasons de puissance !
Les sonicateurs industriels Hielscher offrent une méthode compacte et évolutive pour intégrer les ultrasons de haute puissance dans une filière de traitement des WAS existante. Le traitement en ligne en cellule à circulation concentre l’énergie ultrasonore sur le flux de boues, favorise un contrôle reproductible de la dose et peut être conçu pour un fonctionnement intensif fiable 24/7.
Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany
Les sonicateurs Hielscher sont réputés pour leurs normes de qualité et de conception les plus élevées. Leur robustesse et leur facilité d’utilisation permettent une intégration fluide de nos sonicateurs dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement maîtrisés par les sonicateurs Hielscher.
Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO qui accorde une importance particulière aux sonicateurs haute performance alliant technologie de pointe et convivialité. Bien entendu, les sonicateurs Hielscher sont conformes CE et répondent aux exigences UL, CSA et RoHs.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, la dispersion, l’émulsification et l’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
Questions fréquentes
Le traitement par ultrasons produit-il davantage de biogaz dans un digesteur aérobie ?
Non. L’augmentation du rendement en méthane ou en biogaz est un avantage propre à la digestion anaérobie. Pour la digestion aérobie, le traitement par ultrasons doit être évalué selon la destruction des solides volatils (VS), la consommation d’oxygène, la durée de digestion, les matières sèches résiduelles, l’aptitude à la déshydratation et le coût total.
Où le système à ultrasons est-il installé ?
Le système est généralement installé en ligne après l’épaississement des WAS et avant le digesteur aérobie. Il peut également fonctionner dans une dérivation contrôlée ou dans une boucle de recirculation du digesteur. Un bypass de service permet de poursuivre le transfert des boues pendant la maintenance.
Pourquoi utiliser un sonicateur industriel à 20kHz ?
Les ultrasons de haute puissance à basse fréquence génèrent une cavitation intense et un cisaillement mécanique. Cela est efficace pour briser les flocs de boues, rompre les EPS et ouvrir les cellules microbiennes dans les flux liquide-solide.
Un sonicateur Hielscher peut-il fonctionner en continu ?
Oui. La gamme de sonicateurs industriels hdT de Hielscher est conçue pour un fonctionnement intensif continu et reconnue pour sa durabilité. Les réacteurs à cellule à circulation permettent un traitement contrôlé en ligne ou en recirculation, tandis que l’enregistrement automatique des données facilite la surveillance du procédé et la reproductibilité.
Quelles données sont nécessaires pour dimensionner un système de traitement des boues par ultrasons ?
Les principales données d’entrée sont le débit de WAS, la concentration en TS et en VS, la viscosité des boues, l’énergie spécifique visée, l’effet de traitement requis, les heures de fonctionnement et la pression disponible. Des essais pilotes sont recommandés pour déterminer la dose utile avant le dimensionnement à pleine échelle.
La sonication améliore-t-elle la déshydratation des boues ?
Le résultat dépend des caractéristiques des boues et de la dose. Un traitement modéré peut améliorer le procédé de traitement des solides, tandis qu’une désintégration excessive peut générer des particules fines et des polymères solubles qui nuisent au captage des solides ou à la teneur en matières sèches du gâteau. Les essais de déshydratation constituent donc un élément essentiel de l’optimisation du procédé.
Que disent les études scientifiques sur la digestion des WAS par ultrasons ?
Des études en laboratoire soutiennent l’utilisation des ultrasons pour augmenter l’accessibilité et la biodégradabilité aérobie des WAS.
Dans une étude portant sur un prétraitement alcalin et ultrasonore combiné avant la digestion aérobie, la dégradation de la matière organique pour une même durée de digestion a été rapportée à 38,0% pour les boues non traitées et à 42,5% pour les boues prétraitées par ultrasons. Le prétraitement alcalin et ultrasonore combiné a porté la dégradation à 50,7%. Ce résultat démontre que les ultrasons seuls peuvent améliorer la dégradation aérobie, tout en montrant que l’amélioration atteignable dépend de la stratégie de prétraitement et des caractéristiques des boues. (cf. Jin et al., 2009)
Une autre étude portant sur des WAS municipales a rapporté une solubilisation accrue des boues et une biodégradabilité aérobie plus élevée après une désintégration bactérienne assistée par ultrasons. Les boues prétraitées ont présenté une vitesse de biodégradation ou de décomposition plus élevée que le témoin non traité. (cf. Kavitha et al. 2016)
La sonication favorise-t-elle d’autres procédés de traitement des boues ?
Oui. La sonication favorise plusieurs procédés de traitement des boues en rompant les flocs, les EPS et les cellules microbiennes :
Digestion anaérobie/Production de biogaz : accélère l’hydrolyse, augmente la DCO soluble et peut améliorer la destruction des VS et le rendement en méthane.
Récupération du phosphore : libère le phosphore lié aux cellules et le phosphore organique dans la phase liquide, ce qui améliore sa disponibilité pour une précipitation ultérieure de struvite ou de vivianite ; les ultrasons peuvent également intensifier la lixiviation du phosphore à partir des cendres de boues.
Bibliographie / Références
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance, du laboratoire à la taille industrielle.