Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
1
Procédé et dispositif de traitement par voie biologique d'une charge
liquide contaminée comprenant une phase liquide organique
dispersible et digestible telle qu'une huile ou solvant toxique
L'invention concerne un procédé et une installation de traitement par voie
biologique d'une charge liquide contaminée comprenant une phase liquide
organique dispersible et digestible.
L'invention s'applique tout particulièrement aux huiles et solvants toxiques
contaminés notamment par des substances radioactives. Ces huiles ou
solvants doivent être détruits ou décomposés en effluents acceptables
pour le site.
L'invention est cependant applicable au traitement d'autres produits
qu'huiles ou solvants, dès lors qu'il s'agit de liquides organiques dispersi-
bles (à la différences des goudrons, par exemple) et digestibles, c'est-à-
dire qui puissent subir l'action enzymatique de micro-organismes qui utili-
seront le liquide organique comme source de carbone pour leur métabo-
lisme aérobie. L'oxydation du liquide à traiter par les micro-organismes
s'accompagne d'un rejet de dioxyde de carbone et d'eau.
L'invention s'applique également au traitement de charges comprenant
des particules fines en suspension dans une phase liquide organique, par
exemple des particules de catalyseur usé en suspension dans de l'huile,
afin de pouvoir régénérer ces particules de catalyseur.
Dans la suite de la description on utilisera par commodité les termes "hui-
les" et "huiles ou solvants", mais tout ce qui sera décrit est généralisable à
d'autres types de charges liquides organiques, dès lors que celles-ci pré-
sentent les propriétés indiquées ci-dessus.
Il existe plusieurs techniques d'élimination des huiles toxiques.
La technique la plus simple consiste à brûler ces huiles dans un incinéra-
teur, mais cette technique présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord,
l'huile doit généralement être mélangée avec d'autres déchets, et ce type
d'élimination est difficile à mettre en oeuvre en continu. De plus, il existe
un risque de production de composés volatils toxiques lors de l'incinéra-
tion, qui doivent être soigneusement filtrés avant rejet à l'atmosphère.
Une autre technique consiste à soumettre les huiles à une oxydation par
voie humide, en eau supercritique. Cette technique est très efficace et
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
2
bien maîtrisée, en revanche elle est très délicate à mettre en oeuvre
(pressions d'au moins 221 bars et températures d'au moins 376 C) Par
voie de conséquence cette technique nécessite un investissement initial
important, entraîne un coût de fonctionnement élevé et implique des me-
sures de sécurité draconiennes liées aux très hautes pressions.
La troisième technique, qui est celle de l'invention, consiste à oxyder les
huiles par voie biologique en présence de micro-organismes, à une tem-
pérature de l'ordre de 30 à 37 C pour un métabolisme bactérien optimal.
L'apport d'oxygène est obtenu par une aération continue du système, et
l'oxydation des huiles produit simplement du dioxyde de carbone et de
l'eau, sans danger. De plus, la pression de traitement ne dépasse pas
3 bars, et cette technique est adaptable à des flux à traiter très variables.
Le WO 96/24937 Al décrit un procédé et une installation d'élimination
d'huiles ou solvants contaminés de ce type.
Mais ce procédé ne permet pas une dégradation satisfaisante des char-
ges telles que les huiles contaminées, qui sont constituées d'un mélange
de plusieurs dizaines de constituants différents et structurellement très
diversifiés : cycliques, ramifiés, linéaires, etc., avec pour chaque catégorie
un grand nombre de molécules distinctes.
En effet, une population bactérienne donnée assure une digestion préfé-
rentielle d'une catégorie spécifique de molécules, mais pas de l'ensemble
des molécules. De ce fait, les bactéries vont avoir tendance à dégrader
les molécules les plus digestibles, c'est-à-dire à "manger ce qui est le plus
facile à manger". Or, du fait de l'alimentation en continu de la cuve de trai-
tement, il y aura renouvellement permanent de la fraction facile à digérer,
qui sera in fine la seule ou pratiquement la seule dégradée par la bio-
masse. Ce phénomène va conduire à une accumulation de molécules dif-
ficilement digérables, dont les bactéries n'entameront jamais la dégrada-
tion. Cette accumulation sera un facteur d'intoxication de la biomasse,
conduisant rapidement à l'arrêt du processus de dégradation de la charge
liquide et/ou à une autolyse (autodigestion) de la masse bactérienne au
détriment de la digestion de l'huile, plus longue et plus difficile.
Comme la digestion par la biomasse n'est pas suffisante pour produire un
effluent acceptable, cet effluent doit être soumis à un post-traitement rela-
tivement complexe et coûteux (évaporation, filtration sur charbon actif, ...)
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
3
qui entraîne la production de déchets supplémentaires, en particulier le
charbon actif qui doit être renouvelé régulièrement.
De plus, la technique décrite dans ce document nécessite une injection
permanente de biomasse dans l'installation, impliquant que cette bio-
masse additionnelle soit éliminée en aval.
En outre, ce procédé est essentiellement conçue pour un traitement des
déchets en continu, avec un débit le plus constant possible dans la me-
sure où toute variation importante de la quantité ou de la nature de la
charge à traiter est susceptible de modifier de façon substantielle l'équili-
bre général du procédé.
Enfin, ce procédé requiert la surveillance continue des différentes réac-
tions et traitements mis en oeuvre, avec présence quasi-permanente d'un
opérateur pour surveiller l'évolution du processus et prendre les actions
appropriées de réglage et d'ajustement.
L'un des buts de l'invention est de remédier à ces divers inconvénients en
proposant un procédé et une installation d'élimination par voie biologique
de déchets organiques tels que des huiles ou solvants toxiques, avec un
rendement élevé, une adaptabilité à des flux très variés (et sans interrup-
tion de fonctionnement) et la capacité de traiter des quantités importantes
de déchets, permettant ainsi une exploitation à l'échelle industrielle.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un tel procédé et une
telle installation permettant une réduction très importante des coûts de
toute nature, qu'il s'agisse :
- des coûts d'investissement initiaux,
- des coûts de fonctionnement induits par l'exploitation courante de l'ins-
tallation, et
- des coûts futurs ("heritage coûts") de démantèlement de la machine
lorsque celle-ci est appelée à devenir elle-même un déchet, comme
dans le cas des installations destinées au traitement des substances
radioactives.
L'invention a également pour but de proposer une telle technique permet-
tant, sans post-traitement complexe, d'obtenir directement en sortie du
procédé un effluent liquide acceptable pour le site (normes légales), avec
une quantité rejetée réduite au minimum, et en produisant un minimum de
déchets ultimes.
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
4
L'invention a également pour but de proposer une telle installation qui
puisse être régulée de façon simple et automatique, de manière à éviter le
recours à un opérateur présent en permanence sur site pour la surveil-
lance et la mise en oeuvre du traitement.
Un autre but encore de l'invention est de procurer une très grande flexibili-
té d'exploitation en ce qui concerne les quantités et la variété des déchets
à traiter, avec notamment la possibilité de traiter ces déchets par lots, ceci
à la différence des systèmes antérieurement proposés, essentiellement
conçus pour des traitements en continu.
Un autre aspect de la flexibilité du procédé de l'installation de l'invention
réside, comme on le verra, dans le fait que le système dans son ensemble
est un système très stable, avec un comportement relativement prévisible
et calculable, qui permet de limiter les tâtonnements et ajustements ini-
tiaux à chaque modification de la nature des déchets à traiter.
Le procédé de l'invention, qui est du type général déjà divulgué par le
WO 96/24937 Al précité, est caractérisé par les étapes successives
consistant à :
a) alimenter avec la charge liquide à traiter une première cuve contenant
une phase aqueuse et une première population bactérienne ;
b) solubiliser la charge liquide à traiter dans la première cuve par hydro-
lyse enzymatique avec la première population bactérienne ;
c) soutirer de la première cuve un premier produit de réaction liquide ;
d) filtrer du premier produit de réaction la biomasse contenue dans celui-
ci, pour donner un premier effluent ;
e) alimenter avec le premier effluent une deuxième cuve contenant une
phase aqueuse et une deuxième population bactérienne, différente de
la première ;
f) biodégrader le premier effluent dans la deuxième cuve par digestion
biologique avec la deuxième population bactérienne ;
g) soutirer de la deuxième cuve un deuxième produit de réaction liquide ;
h) filtrer du deuxième produit de réaction la biomasse contenue dans ce-
lui-ci, pour donner un deuxième effluent ;
i) ajuster la concentration bactérienne dans la deuxième cuve par extrac-
tion du surplus de biomasse ;
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
j) alimenter avec le deuxième effluent une troisième cuve contenant une
phase aqueuse et une troisième population bactérienne, différente de
la première et de la deuxième ;
k) réduire les composants bactériens résiduels du deuxième effluent
5 dans la troisième cuve par action biologique de la troisième population
bactérienne ;
I) soutirer de la troisième cuve un troisième produit de réaction liquide ;
m) filtrer du troisième produit de réaction la biomasse contenue dans ce-
lui-ci, pour donner un troisième effluent,
le troisième effluent constituant un effluent liquide final essentiellement
non organique, et la biomasse séparée constituant un déchet organi-
que ultime de volume réduit.
Grâce à ce procédé, par la multiplication et l'isolement des cuves (qui em-
pêche les bactéries de migrer d'une cuve à la suivante), il est possible de
spécialiser les populations bactériennes dans les trois cuves en fonction
des différentes molécules de la charge à digérer : la fraction facile à digé-
rer sera dégradée dans le premier bac, tandis que les molécules pour les-
quelles la biomasse du premier bac n'aura pas entamé la digestion seront
concentrées dans le second bac, où les bactéries (dont on choisira la
spécificité en fonction de la fraction à digérer) devront digérer la fraction
restante, et de même pour le troisième bac. L'évolution du métabolisme
de la biomasse pourra ainsi se faire, au fil du temps, dans le sens d'une
optimisation de la digestion des molécules les plus difficiles.
De plus, l'ajustement de la concentration bactérienne dans la deuxième
cuve permet d'éviter un phénomène d"'autodigestion" de la masse bacté-
rienne au détriment de la digestion de l'huile, plus longue et plus difficile.
Avantageusement, dans ce procédé :
- les étapes d), h) et/ou m) comprennent en outre un recyclage, vers la
cuve d'où a été soutiré le produit de réaction soumis à filtrage, de la
biomasse séparée ; ceci permet d'adapter les populations bactérien-
nes à chaque étape et évite les risques de contaminations entre les
différentes cuves ;
- le procédé comprend en outre un recyclage vers la première cuve de
l'effluent liquide final obtenu à l'étape m) ; et
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
6
- l'étape h) comprend en outre une oxydation chimique du deuxième ef-
fluent après filtrage, et/ou de l'excès de biomasse issu du filtrage ;
- l'étape k) comprend une réduction de la biomasse dans le troisième
réacteur ;
- il est prévu en outre, avant l'étape a), un prétraitement d'oxydation par
réaction de Fenton de la charge liquide à traiter ;
- il est prévu en outre une étape de soutirage de la biomasse en excès
dans les première, deuxième et/ou troisième cuves, et de digestion de
cette biomasse en excès avec séparation d'une phase liquide et d'un
déchet minéral solide ;
- il est prévu en outre une étape de post-traitement, par irradiation aux
UV et ozonation combinées, de l'effluent liquide final issu de la filtra-
tion du troisième produit de réaction, et/ou de la phase liquide issue de
la digestion de la biomasse en excès.
L'invention concerne également une installation correspondante, compre-
nant des moyens pour mettre en oeuvre les différentes étapes de procédé
indiquées plus haut.
Avantageusement, cette installation peut en outre prévoir que :
- les moyens pour filtrer le premier, le deuxième et/ou le troisième pro-
duit comprennent un filtre à membrane tangentielle ;
- les moyens pour filtrer le deuxième et/ou le troisième produit com-
prennent en outre un séparateur centrifuge et/ou un système de flot-
taison ;
- la deuxième cuve comprend des moyens d'agitation et anti-mousse
mécaniques propres à aspirer la mousse formée lors du processus de
biodégradation et à incorporer cette mousse dans la phase aqueuse
contenue dans la cuve ;
- la deuxième cuve comprend des moyens de pompage et de recircula-
tion du contenu de la cuve, ainsi que des moyens de régulation ther-
mique, des moyens d'aération de la phase liquide, des moyens d'ho-
mogénéisation calibrée, et/ou des moyens de mesure et/ou de prise
d'échantillon, ces divers moyens étant disposés dans le circuit de re-
circulation à l'extérieur du volume de la cuve.
0
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
7
On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en
référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques dé-
signent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnelle-
ment semblables.
La Figure 1 est une vue schématique de l'installation selon l'invention, il-
lustrant les divers éléments pour la mise en oeuvre des étapes successi-
ves du procédé.
La Figure 2 illustre plus en détail la structure du réacteur central de biodé-
gradation des huiles.
La Figure 3 est une vue de dessus de ce même réacteur, prise selon III-III
de la Figure 2.
La Figure 4 décrit de façon schématique un système complet intégrant les
différents composants de l'installation décrite Figure 1.
0
Comme illustré Figure 1, l'installation selon l'invention comporte essentiel-
lement trois réacteurs distincts 100, 200, 300 sous forme de trois cuves
respectives de volume déterminé connectées en série.
Le premier réacteur 100 est destiné à solubiliser les huiles par hydrolyse
enzymatique. Les huiles toxiques H sont introduites dans le réacteur 100
par une pompe doseuse 102 de débit déterminé. La même pompe do-
seuse injecte un milieu minimum industriel MMI composé d'eau purifiée et
de sels minéraux indispensables au développement des micro-
organismes. Le tout est mélangé à la phase aqueuse 104 contenue dans
le premier réacteur 100, où les micro-organismes vont solubiliser les hui-
les par hydrolyse par action enzymatique spécifique d'une population
choisie de micro-organismes bactériens. Le temps de séjour dépend du
type d'huile à traiter et du choix des micro-organismes. De façon générale,
le débit d'huile varie typiquement, selon le type d'huile, de 20 à 200 pl par
litre de volume réactionnel et par heure.
Cette phase de solubilisation des huiles est critique pour la mise en oeu-
vre du procédé de l'invention, car elle augmente considérablement la bio-
disponibilité de ces huiles. En effet pour une biodégradation efficace il faut
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
8
que les micro-organismes aient accès au substrat organique, et cela est
plus simple lorsque l'huile est soluble dans le phase aqueuse.
Le bain contenant les huiles solubilisées est soutiré en fond de réacteur
par une pompe 106, en laissant en surface les huiles non encore solubili-
sées. De cette façon seules les huiles solubilisées sont transférées vers le
réacteur 200. Les huiles solubilisées ainsi soutirées sont soumises à l'ac-
tion d'un filtre tangentiel 108 permettant de séparer la biomasse BM d'une
partie de l'effluent liquide EFF (perméat ou filtrat). Le rétentat (biomasse)
repart dans le réacteur 100 via une conduite 110, ce qui évite ainsi aux
micro-organismes du premier réacteur 100 de se mélanger avec les mi-
cro-organismes du réacteur 200. Cette étape de séparation entre effluent
et biomasse permet en outre d'optimiser la population bactérienne de cha-
que réacteur selon sa fonction, avec une sélection de micro-organismes
spécifiques au premier réacteur 100, optimisée pour l'hydrolyse, qui est
différente de celle du deuxième réacteur 200, optimisée pour la biodégra-
dation de l'huile.
La même remarque vaut bien évidemment pour l'isolation entre le
deuxième réacteur 200 et le troisième réacteur 300, réalisée par mise en
oeuvre d'un filtre à membrane tangentiel, comme on l'exposera plus haut.
L'emploi d'un filtre à membrane tangentiel est préféré à une simple décan-
tation, car un tel filtre permet d'ajuster exactement la quantité d'effluent
souhaitée, tout en s'assurant que la biomasse ne passe pas dans cet ef-
fluent.
L'isolation procurée par l'emploi d'un filtre à membrane tangentiel assure
également une sécurité supplémentaire du point de vue biologique, par
exemple en cas de mort des bactéries du fait de la présence de protozoai-
res dans la phase aqueuse de l'un des réacteurs. Dans la mesure où l'on
peut s'assurer que la biomasse ne passe pas le filtre, cette contamination
ne s'étendra pas au réacteur situé en aval.
Après le traitement d'attaque (solubilisation des huiles) réalisé par le pre-
mier réacteur 100, l'effluent contenant l'huile à traiter est amené par une
conduite 202 au deuxième réacteur 200, qui est celui mettant en oeuvre
l'étape principale de biodégradation des huiles. Ce deuxième réacteur
présente par exemple une capacité de 100 litres, et le temps de séjour y
est typiquement de 343 heures.
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
9
Le deuxième réacteur 200, qui sera décrit plus en détail par la suite en
référence aux Figures 2 et 3, assure la digestion des huiles dans la phase
aqueuse 204, sous l'effet de micro-organismes choisis spécifiquement
pour optimiser cette fonction de digestion biologique, et qui sont différents
de ceux contenus dans les deux autres réacteurs 100 et 300.
Le passage vers le troisième et dernier réacteur 300 est assuré de la
même manière que le passage du premier réacteur 100 vers le deuxième
réacteur 200 : le fluide est soutiré en bas du réacteur 200 par une pompe
206 puis passe ensuite au travers d'un filtre tangentiel 208 où la biomasse
BM (rétentat) est séparée d'une partie de l'effluent liquide EFF. L'effluent
produit par le filtre tangentiel 208 via la conduite 218 est dirigé vers un
dispositif d'oxydation chimique 220 opérant par ozonisation ou par traite-
ment au peroxyde d'oxygène, pour y achever l'oxydation des produits de
biodégradation. Après cette étape d'oxydation l'effluent est dirigé vers le
réacteur 300 via la conduite 302.
La biomasse 210, qui sort du filtre tangentiel 208 par une conduite 210 est
recyclée vers le deuxième réacteur 200 via une conduite 214. Le surplus
éventuel de biomasse formé dans le deuxième réacteur 200 pendant la
biodégradation des huiles peut être extrait par un séparateur centrifuge
212 et/ou par un système de flottaison, via la conduite 216. Le surplus de
biomasse peut également être dirigé vers le dispositif d'oxydation chimi-
que 220 via la conduite 216 avant d'être amené au réacteur 300 par la
conduite 302.
Il est en effet important d'ajuster la concentration bactérienne dans le ré-
acteur 200, en évitant que celle-ci ne devienne excessive (typiquement,
une limite maximale de 109 cellules/ml). En effet, une concentration ex-
cessive conduit à la mort d'une proportion importante des bactéries, en-
traînant une production de matières organiques faciles à digérer par les
bactéries vivantes. Ce phénomène d"'auto-digestion" de la masse bacté-
rienne se produit au détriment de la digestion de l'huile, plus longue et
plus difficile. Pour éviter ce phénomène, au lieu de recycler la biomasse
du réacteur (via la conduite 214) cette biomasse en sortie du séparateur
212 est extraite et détruite par oxydation (conduite 216 vers le dispositif
220).
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
L'effluent ainsi oxydé par le dispositif 220 est délivré par la conduite 302
au troisième réacteur 300, qui assure la réduction de l'excès de biomasse
formé au cours du métabolisme des huiles ou solvants toxiques dans le
réacteur 200. En effet, l'effluent véhiculé par le tube 302 contient les cons-
5 tituants de cellules bactériennes lysées lors de l'étape d'oxydation chimi-
que par le dispositif 220, constituants qui servent de nutriments pour les
bactéries de ce troisième réacteur, par action dans la phase aqueuse 304
d'une troisième population bactérienne choisie spécifiquement pour opti-
miser cette fonction de dégradation finale, et qui est généralement diffé-
10 rente de celle des deux autres réacteurs 100 et 200.
Le troisième réacteur 300 présente par exemple une capacité de 20 litres,
et le temps de séjour y est typiquement de 68 heures. Il permet de miné-
raliser et donc de réduire considérablement l'excès de biomasse produite
dans le deuxième réacteur 200. De plus il ajoute un temps de séjour sup-
plémentaire pour éventuellement dégrader les molécules les plus récalci-
trantes à l'action enzymatique des micro-organismes. L'effluent est soutiré
du troisième réacteur 300 par une pompe 306 puis appliqué à un troi-
sième et dernier système de filtration tangentielle 308 : la biomasse BM
séparée est appliquée par la conduite 310 à un séparateur centrifuge 312
et/ou à un système de flottaison, du même type que le séparateur 212 as-
socié au deuxième réacteur. L'effluent solide ainsi séparé, qui constitue la
totalité de la partie organique produite par le procédé, constitue un déchet
ultime DU qui pourra être ensuite séché. Cet effluent solide non minérali-
sé (imputrescible, stérile et ainsi ans danger) présente cependant un vo-
lume extrêmement réduit, qui n'est pas une contrainte pour le procédé.
L'effluent liquide EFF en sortie du filtre tangentiel 308 est délivré par la
conduite 318 et constitue un effluent EFF/N acceptable pour le site, typi-
quement un effluent ayant pour caractéristique principale une DCO (de-
mande chimique en oxygène) strictement inférieure à 150 mg/I.
Si les normes de rejet le permettent, il est possible de diluer dans
l'effluent
EFF/N tout ou partie du déchet organique issu de la séparation par le filtre
312, comme schématisé par la flèche 320. Si la dilution est totale, seul
l'effluent liquide subsiste, ce qui est plus simple pour la gestion de dé-
chets.
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
11
On notera que les débits sont régulés de manière à maintenir les niveaux
dans les réacteurs, afin que le volume dans les réacteurs ne varie pas et
que le bilan matière soit équilibré entre l'entrée et la sortie de
l'installation
(ce qui facilite la traçabilité).
Éventuellement, et sans que cela ait une influence sur le bilan matière,
une partie de l'effluent obtenu en sortie de l'installation peut être recyclée
vers le premier réacteur 100 (flèche 320), selon les résultats de l'analyse
de cet effluent.
On notera incidemment que l'invention permet, de manière avantageuse,
de traiter par lots des huiles de natures différentes en adaptant les popu-
lations bactériennes des différents réacteurs, et avec la possibilité de
commencer le traitement d'un lot avant que celui du lot précédent ne soit
achevé. Par exemple, à la fin du traitement d'un premier lot, lorsque l'huile
a été complètement solubilisée et est en cours de traitement dans les ré-
acteurs 200 et 300, il est possible de commencer la solubilisation de
l'huile du second lot dans le réacteur 100, sans que cela n'ait aucune inci-
dence sur la fin du traitement du premier lot. Ceci est en fait rendu possi-
ble par la séparation des traitements biologiques dans les trois cuves 100,
200 et 300, dont les conditions réactionnelles respectives (choix des po-
pulations de microorganismes, conditions opératoires diverses, etc.) peu-
vent être ajustées séparément pour chaque réacteur, de façon indépen-
dante des deux autres.
On va maintenant décrire plus en détail, en référence aux Figures 2 et 3,
la structure du deuxième réacteur 200 destiné à assurer la biodégradation
proprement dite des huiles toxiques.
Ce réacteur de biodégradation comporte un certain nombre d'éléments
originaux permettant d'assurer simultanément plusieurs fonctions, tout en
simplifiant le dispositif de manière à réduire les interventions de mainte-
nance.
L'air nécessaire à l'oxydation peut être injecté par une rampe 222 en fond
de réacteur, alimentée par une conduite 224 située à l'extérieur de la cuve
du réacteur. En variante ou en complément, il est prévu un système d'in-
corporation d'air 242 par venturi monté sur la conduite 230, ainsi qu'un
dispositif d'homogénéisation calibrée 244, basé sur la propriété d'agitation
moléculaire des ultrasons : suivant la fréquence des ultrasons émis, les
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
12
particules en solution (bactéries, micelles, bulles d'air, etc.) peuvent être
détruites de façon sélective selon leur taille, par effet vibratoire. On peut
ainsi choisir par exemple de détruire les particules supérieures à 100 pm
afin d'épargner les bactéries, qui mesurent généralement 1 pm.
Une fonction anti-mousse est assurée au moyen d'un ensemble compre-
nant notamment une pompe à rotor flexible 226 aspirant le contenu du
réacteur 200 de manière continue par le bas, en 228, et refoulant ce
contenu via une conduite 230, 232, vers des bouches 234 orientées tan-
gentiellement (Figure 3) de manière à créer à l'intérieur de la cuve un vor-
tex empêchant l'accumulation de mousse à la surface du contenu du ré-
acteur. La mousse qui se forme pendant le procédé risque en effet de
piéger les huiles, ce qui la rend indisponible pour les bactéries. Le sys-
tème ici décrit permet, de manière purement mécanique, de disperser et
homogénéiser la mousse, qui est réincorporée dans la phase aqueuse,
augmentant donc la biodégradabilité des huiles et donc l'efficacité du pro-
cédé, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter aucun agent anti-mousse chimi-
que, comme cela est souvent le cas.
Il est prévu par ailleurs au point le plus bas, en 236, une conduite d'éva-
cuation et de vidange de la phase liquide.
Le réacteur 200 assure également une fonction de régulation thermique,
au moyen d'un manchon 238 entourant la partie 240 de la conduite 230
du système de recirculation en boucle décrit plus haut, et parcouru par un
fluide caloporteur de chauffage ou de refroidissement. La phase liquide
contenue dans le réacteur est ainsi thermorégulée, et ceci par un élément
situé à l'extérieur de la cuve, donc nécessitant un minimum d'intervention
en cas de maintenance (à la différence des systèmes de chauffage im-
mergés conventionnels). A cela il faut ajouter l'avantage de cette méthode
de chauffage dite "douce" qui est plus sûre et qui, à la différence des sys-
tèmes de chauffage à résistances, ne crée pas de point chaud, létal pour
les micro-organismes.
On notera que tous les éléments que l'on vient de décrire sont disposés à
l'extérieur de la cuve du réacteur, permettant ainsi de simplifier grande-
ment les opérations de maintenance. De plus, la seule pièce mobile de
cet ensemble est la pompe à rotor flexible 226, ce qui confère une très
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
13
bonne robustesse à l'installation, qui pourra fonctionner en continu pen-
dant de très longues périodes sans intervention particulière.
Le réacteur comprend enfin une cellule de mesure 246 montée en dériva-
tion sur la conduite de prélèvement située en 228 en fond de réacteur,
afin de permettre une prise d'échantillons représentatifs et l'analyse de
ces échantillons (pH, température, oxygène dissous, etc.) par des cap-
teurs appropriés. Les données fournies par ces capteurs, ainsi que la me-
sure du C02 dégagé par la réaction, permettront d'obtenir quasiment en
temps réel une indication de l'activité du bain contenu dans le réacteur, et
donc de l'efficacité de la biomasse, permettant ainsi un pilotage très per-
formant de l'ensemble de l'installation.
La Figure 4 illustre de façon schématique un système complet dérivé de
l'installation décrite Figure 1.
Ce système permet de transformer des huiles ou solvants toxiques, no-
tamment des déchets radioactifs, en un effluent liquide acceptable pour le
rejet dans une station d'épuration.
Ce système met en oeuvre un module de biodégradation M2 correspon-
dant à l'installation décrite Figure 1, avec les trois réacteurs spécialisés
100, 200, 300 permettant de métaboliser la matière organique en eau,
dioxyde de carbone et biomasse à partir des populations bactériennes
spécialisées, différentes, qui sont contenues dans les bacs respectifs 104,
204, 304.
Comme exposé plus haut, une certaine classe de molécules va être dé-
truite dans le premier réacteur 100 (les molécules les plus simples à dé-
grader), puis une autre classe dans le second réacteur 200 et ainsi de
suite dans le troisième réacteur 300, les populations bactériennes de cha-
que bac s'adaptant d'elles-mêmes sous la pression de la sélection natu-
relle en fonction des molécules organiques présentes dans leur environ-
nement.
Le premier réacteur 100 est alimenté en matière organique (huile H) et
également en sels minéraux MMI nécessaires à la croissance biologique.
Les trois réacteurs 100, 200, 300 sont alimentés en air, sont stabilisés à
une température d'environ 30 C et leurs pH à une valeur comprise entre
6,5 et 7,5. Chaque réacteur possède à sa sortie un filtre tangentiel qui
permet d'obtenir un effluent sans biomasse désigné EFF/N. D'autre part,
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
14
au cours de la biodégradation, la croissance bactérienne va générer des
boues biologiques, d'où une biomasse en excès XBM séparée de la
phase liquide.
On va maintenant décrire les pré- et post-traitements appliqués aux diffé-
rents flux H, EFF/N et XBM de ce module de biodégradation M2.
Très avantageusement, les huiles ou solvants toxiques sont prétraités par
réaction de Fenton dans un module Ml d'oxydation chimique.
La réaction de Fenton, en elle-même bien connue, permet d'améliorer la
biodégrabilité des huiles et solvants organiques et d'éliminer les antioxy-
dants généralement présents dans les huiles synthétiques, qui ont ten-
dance à inhiber l'activité biologique. Cette réaction est basée sur une oxy-
dation chimique à température et pression ambiantes (donc dans des
conditions tout à fait avantageuses), qui utilise le pouvoir oxydant du radi-
cal hydroxyle OH ' , obtenu par réaction chimique entre l'eau oxygénée
(peroxyde d'hydrogène) H2O2 et des ions ferreux Fe 2+ en milieu acide, le
radical hydroxyle réagissant avec la matière organique pour la transformer
en eau et en dioxyde de carbone. Dans cette réaction, l'eau oxygénée est
un consommable, tandis que les ions ferreux sont des catalyseurs, car
lors de la réaction l'ion ferreux se transforme en ion ferrique Fe 3+ qui peut
être converti à nouveau en ion Fe 2+ par irradiation UV.
Concrètement, ce prétraitement peut être exécuté en "batch" : dans un
premier temps, on fait entrer la matière organique MO à détruire dans le
réacteur contenant déjà des ions Fe2+, puis on fait diminuer le pH jusqu'à
3,5 par rapport d'acide sulfurique, et on ajoute ensuite l'eau oxygénée
goutte à goutte dans des proportions stoechiométriques par rapport à la
quantité de matière organique à détruire. Le contenu du réacteur est cir-
culé pendant toute la réaction à travers un tube contenant une lampe UV
permettant de transformer l'ion Fe3+ en Fe2+. Une fois la réaction termi-
née, le pH est remonté jusqu'à 10 par apport de NaOH, ce qui a pour effet
de faire précipiter le fer, qui va sédimenter au fond du réacteur. Le surna-
geant, qui contient la matière organique partiellement oxydée (sans le fer,
qui a sédimenté au fond du réacteur et peut être réutilisé), est soutiré et
placé dans un réservoir en attendant son transfert vers le module M2,
après que son pH ait été réajusté à 7. Les gaz éventuellement formés
pendant la réaction peuvent être lavés à l'aide d'une colonne de lavage de
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
gaz. Le liquide ayant servi à ce lavage, et qui a capté les produits toxi-
ques, peut être également oxydé ultérieurement, par une réaction de type
Fenton.
En ce qui concerne le module M2, la biodégradation des huiles H produit
5 en sortie d'une part un effluent EFF/N, d'autre part un excès de biomasse
XBM.
L'excès de biomasse XBM généré au cours de la biodégradation dans le
module M2 est digéré dans un module M3, de manière à produire un dé-
chet minéral solide MIN concentrant la radioactivité de la matière organi-
10 que MO. En effet, les cellules bactériennes accumulent à leur surface les
métaux lourds ainsi que les éléments radioactifs présents dans le milieu,
de sorte que l'excès de biomasse concentre la radioactivité issue de la
matière organique MO, et il faut ensuite minéraliser ce concentré pour
pouvoir le stocker.
15 Le digesteur du module M3 est un digesteur anaérobie conventionnel,
dont la phase liquide est prélevée par filtration tangentielle afin de garder
la biomasse dans le digesteur. La phase aqueuse une fois filtrée peut
faire l'objet d'un post-traitement par un module M4 (voir plus bas), tandis
que la biomasse contaminée est extraite pour constituer le déchet solide
final MIN, éventuellement après une oxydation chimique par réaction de
Fenton.
L'effluent EFF/N issu de la biodégradation par le module M2, et/ou l'ef-
fluent liquide LIQ issu de la digestion de la biomasse par le module M3,
sont avantageusement soumis à un post-traitement d'oxydation par un
module M4, de manière à donner, respectivement, un effluent EFF1 ac-
ceptable pour le site et conforme aux normes (DCO strictement inférieure
à 150 mg/I), et un effluent EFF2 recyclable.
L'oxydation, qui a pour but de détruire la matière organique soluble éven-
tuellement présente dans ces effluents, est avantageusement réalisée
dans les modules M4 par traitement combiné à l'ozone et aux rayons UV,
au moyen par exemple d'un appareil tel que le système UVOX-250 de
Wapure International GmbH, dont le principe consiste à irradier de l'air par
une lumière ultraviolette de manière à convertir l'oxygène de l'air en
ozone, puis injecter le mélange air/ozone dans le liquide à traiter via un
système Venturi, le liquide à traiter étant également irradié par une lu-
CA 02741616 2011-04-26
WO 2010/049629 PCT/FR2009/052042
16
mière ultraviolette. L'ozone en solution est converti en radicaux OH ' pré-
sentant un très grand pouvoir d'oxydation, donc permettant d'éliminer une
très grande variété de substances résiduelles. En particulier, un tel traite-
ment permet de se passer d'un post-traitement au moyen d'un filtre à
charbon actif, qui n'est pas nécessaire. L'irradiation par la lumière ultravio-
lette permet en outre de détruire la quasi-totalité des micro-organismes
éventuellement présents dans l'effluent à traiter.
