Résumé / Abstract

Résumé

La Réunion est aujourd’hui un département qui fait face à de nombreuses problématiques en liaison avec le traitement de ses eaux usées ainsi que la gestion de ses déchets. En effet, de par son isolement et sa taille réduite, ajoutés à la croissance très importante de la population plusieurs décisions sont nécessaires à l’amélioration de la qualité de la gestion environnementale réunionnaise. C’est dans ce contexte que se tient notre projet, dans la ville de Saint Louis, où la station d’épuration (STEP) ne répond pas aux normes de qualité de l’eau et est sous-dimensionnée lorsque dans le même temps un doublement de la population raccordée à la station est prévu pour 2030. L’objectif global de notre projet est donc de redimensionner la station pour atteindre les normes de qualité et l’adapter à l’augmentation de la population, puis de proposer des filières de valorisation des boues de station. Le premier but consistera donc en l’étude de la nouvelle station et de ses procédés, le second sera le développement d’une unité de méthanisation avec différents débouchés de valorisation du biogaz et du digestat, le troisième objectif sera le développement d’une filière de compostage des boues ou du digestat issu de la méthanisation.

La première partie de l'étude s'est organisée autour d'un axe principal : le redimensionnement de la STEP de Saint-Louis avec augmentation de sa capacité de traitement à 80000 équivalents-habitants. La filière eau a été modifiée en mettant en place notamment un traitement biologique par boues activées et une déphosphatation chimique. Les prétraitements (dégrillage et dessablage-déshuilage), le procédé biologique dans son ensemble ainsi que le traitement chimique du phosphore ont été dimensionnés. Les refus de dégrillage, graisses et sables n'ont pas été traités, la production de boues biologiques et chimiques a été fournie aux deux autres parties de l'étude pour leur valorisation par méthanisation et par compostage. Une modélisation du procédé biologique a été réalisée sur R pour observer l'effet d'un à-coup hydraulique. Les deux autres axes ont été d'une part le recensement des pollutions industrielles en amont de la STEP et la proposition de traitements adaptés, et d'autre part l'estimation des coûts associés à la mise en œuvre de cette nouvelle STEP.

Dans notre seconde partie, la mise en place de l’unité de méthanisation se divise en différentes études menées en parallèle. Tout d’abord l’étude de la ligne de production est nécessaire, avec le choix de traitements avant et après la digestion anaérobie, ainsi que le choix du type de digestion puis suit le dimensionnement lui-même basé sur la production de boues estimée par la première étude. Les effluents générés ont été intégrés au dimensionnement du traitement biologique de la STEP. La seconde étude est celle de la valorisation du biogaz par cogénération ou production de biométhane avec pour chacune l’étude de la filière des procédés avec leur dimensionnement précis. Pour chacune de ces études un bilan économique a été réalisé. Enfin la troisième étude consiste en une modélisation des processus biochimiques ayant lieu lors de la méthanisation en utilisant des modèles de la littérature, permettant ainsi de prédire la quantité de méthane produite par le digesteur et optimiser le dimensionnement de la filière. Cette partie est étroitement liée aux deux autres objectifs du projet puisque le redimensionnement de la station influence la production de boues et le digestat est utilisé par l’unité de composage.

La troisième partie qui concerne la mise en place d'une plate-forme de compostage se partage en trois axes d'étude liés entre eux. Un premier axe vise à déterminer les parcelles éligibles à l'épandage des boues et du compost selon la législation en vigueur, ainsi que la localisation de la plateforme. Les résultats, montrant une surface éligible plus importante pour le compost, soulignent la pertinence du compostage des boues pour leur valorisation. Un second axe consiste en la modélisation des processus biochimiques mis en jeu lors du compostage, permettant d'avoir une estimation de la quantité et de la qualité de compost à valoriser ainsi que des émissions atmosphériques. Il permet ainsi de comparer les produits provenant du compostage des boues et ceux provenant du compostage des digestats de méthanisation. Le troisième axe concerne le dimensionnement de la plate-forme pour le compostage des boues avec des déchets verts comprenant le choix des installations et des moyens de traitements (bassin de lagunage notamment). Il prend en compte les résultats de la modélisation pour ajuster la conduite et dimensionner le biofiltre utilisé pour traiter les effluents gazeux émis.

Abstract

The island of La Réunion near Madagascar is facing numerous issues concerning their water and waste management. In the south of the island, several waste water treatment plants are not covering the quality restrictions. Indeed, the wastewater treatment plant (WWTP) of Saint Louis is overwhelmed and designed for a number of inhabitants which is very low compared to the population expected in ten years. In fact, the population is growing fast and will double in a few years. In this context, our goal is first to find solution to reach the quality requirements and the amount of waste water to treat. Then we focused on the disposal of the sewage sludge and its valorization by anaerobic digestion and by composting directly the sewage sludge or its digestat.

The first part of our study consists in an evaluation of the old configuration and the definition of the new process and its sizing to respond to the population growth and the quality regulations. The new WWTP was sized for a capacity of 80,000 population equivalent. The treatment line was changed in order to face this capacity : activated sludge biological treatment and chemical removal of phosphate. The pre-treatment of the raw water (screening, grit and oil removal), the whole biological process and the chemical treatment of phosphorous were sized. The pre-treatment waste was not considered, the amount of biological and chemical sludge produced served as input for the second and third part of the project.  The activated sludge process was modelled on R-software to observe the effect of a flow change on the treatment. Two other studies were linked to the WWTP : identifying the industrial sources of pollution and the suitable treatment processes on one hand, and assessing the economical cost of the new WWTP on the other hand.

The second part of the project is to study the anaerobic digestion of the sewage sludge. We divided in three main subjects: the dimensioning of the digestion system; the dimensioning of the biogas unit depending on the valorization chosen; the prediction of biogas production based on a scientific model of the digestion solved on R. The dimensioning of the digestion line is composed by a references search to define which process to apply for the treatment before and after digestion, and the type of digestion itself. Then a sizing of the process itself was necessary based on the amount of sewage sludge provided by the treatment plant. The effluents were incorporated in the biological treatment sized in the previous WWTP. The dimensioning of the biogas unit consisted first in referencing the different techniques available. Then the development of two scenarii and their precise sizing was done. Finally, for the two processes, an estimation of the costs and the investments was done. The model of the digestion was based on a previous model of the interaction and microbial processes during the anaerobic digestion (ADM1). This model was transposed on R-software and gives the amount of biogas produced as well as the evolution of different components during the process. These results were used to conduct the sizing. This sub-part of the project is highly correlated with the others as the digestate is composted. 

The third part of this project focuses on developing a composting plateform. This part is divided in three topics. The first topic aims to highlight the plots on which sludge or compost can be spread according to the law as well as the location of the plateform. The higher number of qualified plots to spread compost confirm that composting sludge is relevant for their recycling. The second part deals with the establishment of a model to simulate the biochemical reactions that occur during the composting process. This model gives us an appraisal of the feature and  final mass of compost that need to be spread as well as an estimation of atmospheric emissions during the process. It allows us to compare a compost from the aerobic digestion of sludges and one from the aerobic digestion of the digestate produced during the anaerobic digestion process. The last topics is about sizing the different components of the plateform and the means of treatment (lagoon-based water treatment basin for instance). The results of the simulation are take into account to adapt the management of the plateform and to size the biofilter use to treat the gazeous emissions.