Traitement par ultrasons pour la digestion aérobie des boues activées
L'ultrasonication à haute puissance désagrège les boues activées résiduaires (BAR) avant ou pendant la digestion aérobie. La cavitation acoustique brise les flocs de boues, désagrège les substances polymériques extracellulaires et ouvre les cellules microbiennes. Cela rend la matière organique, auparavant protégée, plus accessible au digesteur aérobie.
Dans le cas d'un procédé aérobie, l'objectif n'est pas d'augmenter la production de biogaz. L'optimisation de la production de méthane concerne la digestion anaérobie. Dans un digesteur aérobie, les indicateurs de performance pertinents sont la destruction des matières solides volatiles, la consommation d'oxygène, la durée de digestion, la teneur en matières sèches résiduelles, la capacité de déshydratation et le coût total d'exploitation.
Les soniqueurs industriels Hielscher s'intègrent dans une ligne WAS à pompage ou dans une boucle de recirculation d'un digesteur. Les réacteurs à cellule d'écoulement à ultrasons concentrent le traitement sur un débit de boues défini et permettent de surveiller le processus en fonction de la puissance, du débit, de la concentration en matières solides, de la pression et de la température. Il en résulte une solution de modernisation compacte qui permet d'ajouter la désintégration des boues par ultrasons sans remplacer le digesteur aérobie existant.
Système ultrasonique industriel en ligne « flow-skid » de Hielscher destiné au traitement des boues de sédimentation épaissies (WAS)
Pourquoi les boues activées issues des déchets sont-elles difficiles à digérer ?
Les boues activées résiduaires sont les solides biologiques excédentaires éliminés lors d'un processus de traitement des eaux usées par boues activées. Elles contiennent des micro-organismes, des substances polymères extracellulaires (EPS), des matières organiques retenues et des solides inertes.
Dans le décanteur secondaire, les boues activées décantées sont réparties en deux flux :
- Les boues activées de retour (RAS) sont renvoyées vers le bassin d'aération afin de maintenir la concentration en biomasse requise.
- Les boues activées résiduaires (BAR) sont retirées du processus de traitement des effluents et acheminées vers les étapes d'épaississement, de stabilisation, de digestion ou de déshydratation.
Le WAS contient une forte proportion de matière cellulaire microbienne. Une grande partie de sa matière organique biodégradable est enfermée dans des parois cellulaires ou retenue à l'intérieur de flocs de boues compacts. Cette protection physique ralentit la lyse cellulaire naturelle et l'hydrolyse.
Au cours de la digestion aérobie, de l'oxygène est apporté alors que la quantité de matière organique disponible est faible. Les micro-organismes passent en mode de respiration endogène et consomment les matières stockées, les cellules mortes et d'autres composants biodégradables des boues. L'objectif est de stabiliser les boues, de réduire le potentiel olfactif et de diminuer la quantité de matières solides volatiles devant être déshydratées et éliminées.
Le taux de digestion est souvent limité par l'accès au substrat. Un digesteur peut certes contenir des micro-organismes actifs et offrir un temps de séjour suffisant, mais la matière organique présente à l'intérieur des cellules intactes et des flocs denses reste difficile à atteindre.
Comparaison entre des flocs non traités et des boues soumises à une sonication : la sonication réduit considérablement la taille des flocs.
Étude et illustrations : ©Chu et al. 2001
Comment la cavitation ultrasonique ouvre la voie à la digestion aérobie
Les sonicateurs industriels Hielscher fonctionnent à 20 kHz et génèrent une cavitation acoustique intense dans les flux de liquides et de boues. Des bulles de cavitation se forment, grossissent puis s'effondrent au sein de la boue. Leur effondrement crée de puissantes forces de cisaillement locales qui agissent directement sur les flocs, les EPS et les cellules microbiennes.
Le traitement par ultrasons entraîne trois changements importants au sein du WAS :
Désintégration des flocs
La cavitation brise les agrégats de boues et met à nu des surfaces qui étaient auparavant recouvertes de substances polymériques extracellulaires (EPS). Les boues traitées contiennent des particules plus fines et présentent une surface accessible plus importante.
EPS et rupture cellulaire
La désintégration assistée par ultrasons améliore la biodégradabilité aérobie des boues activées issues des déchets municipaux en brisant les flocs de boues résistants et en libérant la matière organique piégée. La cavitation ultrasonique rompt les membranes et les parois cellulaires. Les protéines et les glucides, ainsi que d'autres composés intracellulaires, passent alors en phase liquide.
Augmentation de la biodisponibilité
Les micro-organismes aérobies sont capables de décomposer plus facilement les matières organiques solubles et finement divisées que les cellules microbiennes intactes et les flocs compacts. L'ultrasonisation assure donc mécaniquement une partie du processus de lyse et d'hydrolyse avant l'étape d'oxydation biologique.
La sonication agit sur la matrice protectrice épaisse des boues d'épuration afin d'accélérer considérablement la digestion microbienne et d'en améliorer l'efficacité. Ce phénomène se traduit généralement par une augmentation de la demande chimique en oxygène soluble (SCOD).
Réacteur à flux ultrasonique industriel pour une meilleure digestion du WAS
Avantages de la sonication dans les installations de digestion aérobie
La réponse dépend des boues et de la dose d'ultrasons. Lorsque la sonication améliore la biodégradabilité aérobie, une station d'épuration peut obtenir :
- Une destruction plus importante des matières solides volatiles avec le temps de digestion actuel
- Une stabilisation des boues comparable avec un temps de séjour plus court
- Réduction de la production de matières sèches résiduelles
- Capacité effective supplémentaire provenant d'un digesteur aérobie existant
- Réduction du transport et de l'élimination des biosolides
- Amélioration de la stabilité du procédé pendant les périodes de forte concentration en matières solides
- Meilleur contrôle des organismes filamenteux grâce à la formation de flocs et à la désintégration cellulaire
Sonicateurs Hielscher en ligne pour une mise à niveau facile
À grande échelle, il est généralement plus efficace de soumettre à des ultrasons un flux de boues concentrées plutôt que l'intégralité du volume du digesteur aérobie. Les réacteurs à cellule d'écoulement à ultrasons Hielscher permettent deux configurations pratiques.
Prétraitement WAS de la ligne d'alimentation
Le système à ultrasons est installé en aval du pré-épaisseur WAS et en amont du digesteur aérobie :
WAS épaissi → pompe d'alimentation → cellule de débit à ultrasons Hielscher → digesteur aérobie
Ce dispositif permet de traiter un débit massique défini de matières sèches et fournit une base claire pour contrôler l'apport spécifique d'énergie ultrasonique.
Organigramme : boue épaisse issue du WAS → pompe d'alimentation → sonicateur industriel en ligne Hielscher UIP6000hdT → digesteur aérobie
Recirculation dans le digesteur ou traitement en dérivation
Une fraction contrôlée de boues est pompée depuis le digesteur ou la conduite de boues à travers le sonicateur, puis réintroduite dans le processus. Cette configuration s'avère utile lorsque la conduite d'alimentation existante est difficile à modifier ou lorsqu'il convient de ne traiter qu'une fraction sélectionnée des boues.
Ces deux configurations peuvent être installées sous forme de modules compacts comprenant une pompe, une cellule de débit à ultrasons, des vannes d’isolement, une dérivation de service, des dispositifs de mesure de la pression et de la température, des points de prélèvement et des commandes de processus. La cuve de digestion existante reste inchangée.
Le traitement par ultrasons est donc particulièrement adapté à la modernisation des stations d'épuration existantes. Le module ultrasonique peut être installé dans une conduite de refoulement, fonctionner de manière autonome et être mis hors service lors des opérations d'inspection ou de maintenance.
Améliorez la désintégration des boues aérobies grâce aux ultrasons de puissance !
Les sonateurs industriels Hielscher offrent une solution compacte et évolutive pour intégrer des ultrasons de forte puissance dans une ligne de traitement WAS existante. Le traitement en ligne dans une cellule de flux concentre l'énergie ultrasonique sur le flux de boues, permet un contrôle reproductible de la dose et peut être conçu pour fonctionner de manière fiable 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions d'utilisation intensive.
Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany
Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.
Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Questions fréquemment posées
Le traitement par ultrasons permet-il d'obtenir 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. Dans le cas de la digestion aérobie, l'efficacité du traitement par ultrasons doit être évaluée en fonction de la destruction de la matière volatile (MV), de la consommation d'oxygène, de la durée de digestion, de la teneur en matières sèches résiduelles, de la capacité de déshydratation et du coût total.
Où est installé le système à ultrasons ?
Le système est généralement installé en ligne, après l'épaississement WAS et avant le digesteur aérobie. Il peut également fonctionner dans un circuit dérivé contrôlé ou dans une boucle de recirculation du digesteur. Une dérivation de service permet de poursuivre le transfert des boues pendant les opérations de maintenance.
Pourquoi utiliser un sonicateur industriel de 20 kHz ?
Les ultrasons à basse fréquence et haute puissance génèrent une cavitation intense et un cisaillement mécanique. Ce procédé est efficace pour briser les flocs de boues, désagréger 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 continu en conditions difficiles et réputée pour sa durabilité. Les réacteurs à cellule de flux permettent un traitement contrôlé en ligne ou en recirculation, tandis que l'enregistrement automatique des données facilite la surveillance du processus et garantit sa reproductibilité.
Quelles sont les données nécessaires pour dimensionner un système de traitement des boues par ultrasons ?
Les principaux paramètres à prendre en compte sont le débit de WAS, les concentrations en TS et VS, la viscosité des boues, l'énergie spécifique visée, l'efficacité de traitement requise, les heures de fonctionnement et la pression disponible. Il est recommandé de réaliser des essais pilotes afin de déterminer la dose optimale avant de procéder au dimensionnement à grande échelle.
La sonication améliore-t-elle la déshydratation des boues ?
Le résultat dépend des caractéristiques des boues et du dosage. Un traitement modéré peut améliorer le traitement des matières solides, tandis qu’une désintégration excessive peut générer des particules fines et des polymères solubles qui nuisent à la rétention ou à la formation du gâteau de boues. Les essais de déshydratation constituent donc un élément essentiel de l’optimisation du procédé.
Que révèlent les études scientifiques sur la digestion par ultrasons (WAS) ?
Des études en laboratoire confirment l'intérêt du recours aux ultrasons pour améliorer l'accessibilité et la biodégradabilité aérobie des boues de décantation (WAS).
Dans une étude portant sur un prétraitement combiné alcalin et par ultrasons avant digestion aérobie, le taux de dégradation de la matière organique pour une durée de digestion identique a été évalué à 38,0 % pour les boues non traitées et à 42,5 % pour les boues prétraitées par ultrasons. Le prétraitement combiné alcalin et par ultrasons a permis d’augmenter ce taux de dégradation à 50,7 %. Ce résultat démontre que les ultrasons seuls peuvent améliorer la dégradation aérobie, tout en montrant que l’amélioration obtenue dépend de la stratégie de prétraitement et des caractéristiques des boues. (cf. Jin et al., 2009)
Une autre étude portant sur les eaux usées municipales a mis en évidence une augmentation de la solubilisation des boues et de leur biodégradabilité aérobie après une désintégration bactérienne assistée par ultrasons. Les boues prétraitées ont présenté un taux de biodégradation ou de décomposition plus élevé que celles du groupe témoin non traité. (cf. Kavitha et al. 2016)
La sonication favorise-t-elle d'autres procédés de traitement des boues ?
Oui. La sonication facilite plusieurs procédés de traitement des boues en désagrégeant 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 de la matière volatile ainsi que 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 la précipitation ultérieure de struvite ou de vivianite ; les ultrasons peuvent également intensifier la lixiviation du phosphore à partir des cendres de boues.
Littérature / 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 très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.