Traitement des graisses

Traitement des graisses

Théorie

Lors du pré-traitement des eaux usées domestiques, différents sous-produits sont générés comme par exemple les déchets graisseux. Depuis 2002, ces résidus sont considérés comme non ultimes et ne sont donc plus acceptés en centre d'enfouissement technique (CET).

Les déchets graisseux, issus de l'étape de dessablage-dégraissage dans les stations d'épuration, sont communément appelés "graisses". Ces graisses sont hétérogènes et sont constituées par des matières organiques biodégradables, des matières organiques non biodégradables telles que des débris, ou encore de l'eau.

Les graisses contenues dans les effluents domestiques engendrent de nombreux problèmes au niveau des stations d'épuration. En effet, à température ambiante, certaines graisses ont tendance à se solidifier et peuvent provoquer le colmatage des canalisations. Leur fort caractère fermentescible est responsable de nuisances olfactives dans les réseaux et au niveau de la station. De plus, elles favorisent la croissance d'organisme filamenteux hydrophobes qui vont par exemple perturber la décantabilité des boues. Au niveau des bassins d'aération, elles vont diminuer les transferts d'oxygène. En effet, par adsorption sur les flocs, les graisses vont former un film lipidique qui va réduire le transfert de l'oxygène entre l'eau et les flocs. Il est donc important de pouvoir réduire les déchets graisseux de l'effluent à traiter, c'est donc par l'étape de dessablage-dégraissage que ces derniers sont éliminés. Les graisses ainsi récupérées vont être traitées, étant donné qu'elles ne sont plus autorisées en CET. Différentes solutions pour traiter ou éliminer les graisses existent. Les paragraphes suivants vont présenter quelques uns des traitements envisageables pour les graisses de station d'épuration.

  • L'épandage

​​Comme pour les boues de station d'épuration, l'épandage des déchets graisseux est une technique utilisée à hauteur de 28%. Les déchets graisseux ont une faible valeur agronomique, en effet ils sont peu fertilisants puisqu'ils contiennent peu de phosphore et d'azote. Le plus souvent les déchets graisseux sont mélangés aux boues de station d'épuration puis l'épandage de ces derniers est réalisé.  Afin de neutraliser les odeurs, un apport de chaux peut être effectué.

  • L'incinération

L'incinération des graisses est envisageable conjointement ou non avec l'incinération des boues de station d'épuration ou encore des ordures ménagère​​s. Les déchets graisseux contiennent une grande quantité d'eau, c'est pourquoi ils doivent être déshydratés avant d'être incinérés. L'inconvénient majeur de cette technique est la nécessité de traiter les fumées, ce qui augmente  fortement le coût de traitement.

  • Compostage et lombricompostage

Un compost issu du mélange entre des déchets graisseux, des végétaux, et des nutriments (azote et phosphore) peut être obtenu au bout de quelques mois. Le produit ainsi réalisé est stable et ne dégage pas de mauvaises odeurs. Le lombricompostage permet d'obtenir plus rapidement un produit semblable (stable et non-odorant) par le développement de vers rouges sur un support constitué d'un mélange de boues de STEP et de déchets graisseux. Le lombricompostage est une technique utilisée plutôt pour des petites structures, et est peu répandue en France.

  • Traitement biologique anaérobie

Le traitement anaérobie permet de traiter les déchets organiques en les transformant en compost mais aussi en méthane, dioxyde de carbone, composés azotés et soufrés. Des populations microbiennes anaérobie vont se développer sur le substrat organique en l'absence d'oxygène. Le traitement biologique anaérobie se déroule en 3 étapes: hydrolyse et solubilisation​​, action de bactérie acétogène et enfin l'action de bactérie méthanogène. L'étape d'hydrolyse et de solubilisation permet de passer d'une matière organique complexe (protéine, lipides) à une matière organique simple (acides aminés, glycérol, acides gras...). L'étape d'acétogénèse permet de transformer la matière organique en acétate, dioxyde de carbone et hydrogène. La méthanogénèse quand à elle permet l'obtention de biogaz (CO2 et CH4) par décarboxylation de l'acétate et la réduction du dioxyde de carbone.

  • Traitement biologique aérobie

​​Le traitement aérobie se déroule en 2 étapes: l'hydrolyse biologique qui va permettre la formation d'acides gras et d'alcool,  des enzymes vont vont catalyser l'hydrolyse des acides gras par un mécanisme de béta-oxydation et ainsi obtenir du dioxyde de carbone, de l'eau et de la biomasse. Ces réactions nécéssitent un apport d'oxygène, elles sont dites aérobies. Les nutriments sont indispensables à l'activité biologique et nécessaire pour l'assimilation des déchets graisseux, un apport en azote et phosphore sera donc indispensable.

Il existe 4 principaux procédés aérobie développés par la Lyonnaise des Eaux ou encore la SAUR.

Application pratique

Dans notre cas d'étude, nous avons choisi un traitement biologique aérobie des graisses. Il s'agit d'un procédé largement utilisé et qui semble adapté à notre étude.

Dimensionnement du traitement biologique des graisses

Dimensionnement du traitement biologique des graisses

 

Dans cette partie nous allons dimensionner le bassin aérobie nécessaire au traitement des déchets graisseux. De plus nous déterminerons la quantité d'air à insuffler dans le bassin pour traiter la pollution.

Hypothèses de travail:

- la charge massique appliqué au procédé en DCO est de 0,2 kg DCO/kg MVS.j (pour les conditions classique de dimensionnement Population = 10 000 et T = 10°C)

- la concentration en biomasse est de 10 g MVS/L

- la concentration d'alimentation dans le réacteur en DCO est de 40 g DCO/L

- l'apport spécifique en oxygène est de 0,7 kg O2/kg DCO éliminée ($AS$)

- le coefficient de transfert global ($K_{La}$) est de 0,45

- le rendement de transfert d'oxygène est de 6% par mètre d'eau au dessus du diffuseur (avec agitation) noté $\eta_{diffuseur}$

- la hauteur de bassin est fixée à 5 m pour maximiser le rendement de transfert d'oxygène

Calcul du volume du bassin:

Les paramètres utilisés pour calculer le volume du bassin sont présentés dans le tableau ci-dessous:

Paramètres utilisés pour pour dimensionner le bassin de traitement des graisses
Paramètre Population
Estivale Hivernale
Charge de DCO récupérée en surface d'ouvrage (kg DCO/j) 435 362
Charge massique appliquée (kg DCO/kg MVS.j) 0,36 0,2
Concentration en biomasse (g MVS/L) 10 10
Charge volumique appliquée (kg DCO/m3.j) 3,6 2

Le volume du bassin se calcule donc de la manière suivante:

$$V_{graisse}=\frac{\mbox{charge DCO récupérée}}{\mbox{Charge volumique}}$$

Nous obtenons les résultats suivants:

Volumes de bassin obtenus
Paramètre Population
Estivale Hivernale
Vgraisse (m3) 121 181

Nous pouvons également calculer le temps de séjour dans le bassin pour cela nous utilisons la formule classique:

$$\tau=\frac{V_{DCO}}{Q}$$

Où $Q$ représente la charge de DCO récupérée en surface du dispositif et $V_{DCO}$ le volume de DCO à traiter $\left(V_{DCO}=\frac{\mbox{Charge DCO récupérée}}{\mbox{Concentration d'alimentation}}\right)$

Nous obtenons alors un temps de séjour de 11 jours pour les conditions estivales de dimensionnement et de 20 jours pour les conditions hivernales. Ces valeurs sont des valeurs classiques de temps de séjour pour le traitement des graisses.

Calcul des besoins en oxygène

Comme système d'aération on retiendra une insufflation de fine bulles d'air dans le bassin, qui permettent le brassage du substrat graisseux. Ce type de diffusion d'air permet d'améliorer le rendement énergétique.

Les formules suivantes ont été utilisées pour calculer le débit d'air nécessaire:

$$\mbox{Besoin théorique en oxygène}=\mbox{Charge DCO récupérée}\times AS$$

$$\mbox{Besoin en oxygène du système}=\mbox{Charge DCO récupérée}\times AS\times\mbox{Rendement d'élimination}$$

$$\mbox{Quantité d'oxygène à injecter dans l'eau​}=\frac{\mbox{Besoin en oxygène du système}}{K_{La}}$$

$$Q_{air}=\frac{\mbox{Quantité d'oxygène à injecter dans l'eau​}}{\eta_{diffuseur}\times \mbox{Teneur en oxygène dans l'air}}$$

Nous obtenons donc un débit d'air à insuffler de 5300 m3/j pour les conditions hivernales de dimensionnement, et de 6050 m3/j pour les conditions estivales.