EP1483215A1 - Procede de traitement des boues de stations d'epuration par voie mycelienne - Google Patents

Procede de traitement des boues de stations d'epuration par voie mycelienne

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EP1483215A1
EP1483215A1 EP02735535A EP02735535A EP1483215A1 EP 1483215 A1 EP1483215 A1 EP 1483215A1 EP 02735535 A EP02735535 A EP 02735535A EP 02735535 A EP02735535 A EP 02735535A EP 1483215 A1 EP1483215 A1 EP 1483215A1
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EP
European Patent Office
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sludge
micromycetes
treatment
tank
treated
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02735535A
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German (de)
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Inventor
Sylvie Fleury
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Societe dAmenagement Urbain et Rural SAUR SAS
Original Assignee
Societe dAmenagement Urbain et Rural SAUR SAS
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Publication date
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Application filed by Societe dAmenagement Urbain et Rural SAUR SAS filed Critical Societe dAmenagement Urbain et Rural SAUR SAS
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    • C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
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    • Y02W10/20—Sludge processing

Definitions

  • the invention relates to a biological treatment method for the reduction of sewage sludge and an installation using such a method. More specifically, the field considered is the treatment of urban wastewater.
  • This process is particularly intended for the treatment of sludge resulting from the treatment of such effluents predominantly "urban” and whose regulated spreading 10 requires treatment solutions without transfer of the pollution problem and in the context of respect for ecosystems.
  • the 20 seeks to promote catabolism of endogenous microorganisms. This can be achieved by changing the age of the sludge or by coupling processes combining cell lysis with aerobic (CO 2 ) or anaerobic (CH) biological treatment.
  • CO 2 aerobic
  • CH anaerobic
  • Part of bacteria such as Pseudomonas, whose life cycle leads to the conversion of a fraction of the organic carbon of the sludge into gas (CO2 or methane).
  • CO2 or methane gas
  • the process is controlled by a minimal but long enough sludge residence time.
  • thermophilic anaerobic treatments give better results than aerobic treatments but require complex installations.
  • the invention aims to overcome the disadvantages of the prior art.
  • the invention aims in particular to degrade a larger fraction of the organic matter of the sludge in a range of 20 to 40% on average of the amount of dry matter (organic matter and mineral matter) sludge, to reduce as much the volume.
  • the invention may also aim to further control the rate of this degradation, to optimize the effluent treatment rate according to the upstream and downstream constraints of the installation.
  • the invention also aims at a global saving of the operating costs of a treatment and purification station STEP, the expenses of elimination of residual sludge being increasing.
  • the subject of the invention is, according to a first aspect, a method for treating sludge of an urban treatment plant, comprising a step of treating the sludge with micromycetes.
  • micromycetes reference is made to microorganisms, as opposed to higher fungi.
  • mycelium which is the vegetative apparatus, and the spores.
  • any lower mushroom used in sufficient quantity to contribute to the degradation of the sludge, is understood to mean this degradation being evaluated by appropriate techniques within the scope of those skilled in the art.
  • the species mentioned below are to be considered as non-limiting examples, the invention covering the use of species whose sludge degradation activity is demonstrated.
  • micromycete or mycelium will be used indifferently for the sake of simplicity.
  • micromycetes that are effective in degrading sludge, some species can be found in sewage sludge. We speak of endogenous micromycetes. But these micromycetes are present in insufficient quantities in these sludges to degrade them sufficiently. And they are not implanted under conditions favoring the mode of metabolism sought for optimal degradation of the material.
  • the process comprises, in parallel with the treatment of sludge by micromycetes, the continuous culture of micromycetes.
  • the sludge treatment time by micromycetes is typically between 1 and 10 days, typically between 2 and 5 days.
  • the flows of mycelium and sludge to be treated are regulated in the installation accordingly. It is typically carried out at pH of the order of 5.5 to 9, at a temperature between 10 and
  • a single strain of micromycetes is used. According to another embodiment, several different strains are combined, forming a mycelial mixture, possibly with a synergistic effect.
  • the micromycetes are chosen from the genera PENICILLIUM, TRICHODERMA, PHOMA, MUCOR, FUSARIUM.
  • GALACTOMYCES GALACTOMYCES, ASPERGILLUS, BOTRYTIS, GEOMYCES and their mixtures.
  • PENICILLIUM roqueforti PENICILLIUM camembertii
  • PENICILLIUM chrysogenum notatum, meleagrinum, flavidomarginatum, rubens, chlorophaeum, camerunense, aromaticum, harmonense
  • PENICILLIUM atramentosum TRICHODERMA viride
  • TRICHODERMA Koningii TRICHODERMA reesei
  • MUCOR hiemalis MUCOR mucedo
  • MUCOR racemosus MUCOR circinelloids
  • MUCOR fuscus MUCOR circinelloides.
  • other selected non-mycelial microorganisms may be optionally associated with the mycelial component to live in synergy and develop the same functions.
  • These microorganisms include bacteria, yeasts, protozoa, amoebae.
  • yeasts it will be possible to use Saccharomyces yeasts.
  • bacteria it will be possible to use bacteria of the genus Bacillus, and in particular alicyclobacillus, paenibacillus, brevibacillus, aneurinibacillus, virgibacillus.
  • Bacillus can be used in particular: subtilis, anthracis, cereus, licheniformis, megaterium, pumilus, sphaericus, thuringiensis.
  • thermophilic bacteria may be used in particular: bacillus stearothermophilus, bacillus thermoglucosidasius, bacillus thermodenitrificans.
  • Halobacillus bacteria such as sporosarcina halophila may also be used.
  • micromycetes will be associated with at least one other microorganism producing an antibiotic agent.
  • the Applicant has indeed found, surprisingly, the synergistic effect on sludge degradation obtained by the combined use of antibiotic agents and micromycetes.
  • Antibiotic agents can be produced in situ or added before or at the same time as micromycetes.
  • Such antibiotic agents may be provided by certain species such as Penicillium (in particular C ⁇ sogenum) and Aspergillus, Paecilomyces.
  • the proposed interpretation lies in the inhibitory effect of bacterial activity by antibiotics in favor of the functioning of the mycelial population, which allows to promote the degradation of the material.
  • Mycelial metabolisms are thus reinforced with respect to bacterial metabolism in the mycelial digestion tank (contact basin described below).
  • Other antibiotic-producing species such as streptomyces, may also be used.
  • the antibiotic molecules are typically enzymes, and / or protein molecules, cyclic compounds, fuscidic acids. According to embodiments, such species capable of generating antibiotic molecules that make it possible to promote the implantation of exogenous biomass at the expense of endogenous biomass, only at the start-up phase or punctually in the year of use, are used. . Indeed, these species help the mycelial species to establish themselves, which makes it possible to optimize the degradation process of the organic matter.
  • antibiotic agent producing species are used to promote the implantation of mycelial species into the bioreactor to avoid contamination of the bioreactor.
  • the micromycetes will be associated with oxidizing agents.
  • the Applicant has in fact surprisingly found the synergistic effect on sludge degradation, the combined use of oxidizing agents and micromycetes.
  • the process will then comprise a sludge treatment step with at least one oxidizing agent, injected in line or in a pretreatment tank.
  • This oxidizing treatment precedes the biological treatment with micromycetes, and has a duration typically less than three hours, preferably of the order of 30 minutes.
  • the oxidizing agent comprises H 2 O 2 and ferric or ferric salts.
  • the Fenton reagent or the like is preferred.
  • other oxidants can be used such as COMPLETE
  • the use of such an oxidizing agent makes it possible to unbalance the populations present in the sludge and in the mycelial digestion tank in favor of the mycelial species, which allows to increase their work of degradation of the material.
  • the Applicant has in fact demonstrated that at a given dosage of Fenton reagent (calculated as a function of the concentration of sludge expressed in MES g / 1), a pre-degrading reaction of the material generates an easier accessibility to the substrate for the mycelial species present in our cocktail.
  • the use of Fenton's reagent increases on average by 5 to 30% (sometimes more depending on the initial qualities of sludge) the degradation yield of organic matter compared to the use of only micromycetes.
  • Ferrous salts or ferric salts may be used.
  • the reagent is typically used at temperatures in the range of 10 to 40 ° C.
  • the amount of reagent will be controlled in order to avoid an excessive rise in temperature during the oxidative treatment.
  • the pH of the sludge treated with the Fenton reagent is typically in the range of 5 to 8, preferably in the range of 5.5 to 6.5.
  • the Applicant has demonstrated that the Fenton reagent used alone on sludge not added to the mycelial cocktail after the oxidizing treatment has no effect at the natural pH and under the conditions of treatment.
  • the proposed interpretation of the surprising synergistic effect found is, from a microbiological point of view, an inhibition of partial or total bacterial metabolism, depending on the case, by the oxidant used, which creates a differential used by the mycelial species which have access to the substrate much more easily and freely.
  • the culture of micromycetes is aerobic, and is continuously in a bioreactor.
  • the sludge is treated continuously.
  • the rate of treatment is a function of the sludge concentration of the MS and the pollutant load. It is estimated per 1000 eq.hab (with consideration of an MS / DBO5 ratio of 0.8 to 1, this parameter varying according to the type of wastewater to be treated) a variation in flow rate of order of 2 to 10 m3 / day / 1000 eq.hab.
  • micromycetes are injected at a rate of the order of 0.01 to 10% of the volume of sludge to be treated per day, typically of the order of 2 to 5%. As will be seen, they are administered in the form of a culture in a liquid medium.
  • the micromycetes are injected at a volume of 0.01 to 15%, typically of the order of 2 to 10% of the volume of sludge to be treated per day. .
  • the amount of dry matter sludge treated with micromycetes is reduced to about 10 to 50%, typically of the order of 20 to 30%, compared to that of untreated sludge. Depending on the setting parameters this degradation may be greater.
  • the micromycete treatment method comprises a simultaneous membrane filtration step of the sludge (effluents) treated with micromycetes.
  • the invention relates to a water treatment process in an urban treatment plant, comprising the following successive stages:
  • the invention relates to a water treatment process in an urban treatment plant, comprising the following successive stages:
  • the invention relates to an effluent treatment plant of predominantly urban wastewater treatment plant intended to implement such a process, comprising: a first treatment tank comprising sewage sludge, downstream of the first treatment tank, at least one biological contact basin intended for the degradation of at least a portion of the sludge by the micromycetes,
  • the invention relates to an urban treatment treatment plant effluent treatment plant, intended to implement a process combining treatment with micromycetes and membrane treatment, comprising: a mixed treatment tank comprising effluents; treatment plant for the degradation of at least a part of the sludge (effluents) by the micromycetes, the mixed treatment tank comprising a membrane filtration system, - in parallel with the mixed treatment tank, a bioreactor of continuous culture of micromycetes,
  • the bioreactor comprises:
  • this comprises means of arrival of the micromycetes, means of arrival of the sludge, stirring means, aeration means, means for evacuation of sludge treated, and preferably means for regulating the flow of arrival and output sludge and micromycetes, pH and temperature.
  • the contact basin has a capacity adapted to the installation.
  • the capacity is in particular a function of the residence time of the sludge to be treated.
  • the volume of the contact basin varies from 10 to 40 m3 per 1000 eq.hab (equivalent inhabitants).
  • the treatment can be biological or mixed (chemical and biological agents).
  • known species are combined to secrete antibiotic principles used within the contact basin itself in order to inhibit the bacterial population. This requires developing and producing these same species within the bioreactor but also possibly, and in some cases, in a parallel bioreactor. Compound samples of the degradation micromycete cocktail associated with the species that will act as bacterial inhibitors will be prepared.
  • Sewage treatment plant sludge consists mainly of biomass. This native biomass is difficult to achieve, and the effect of an oxidant partially degrades these constitutive bacteria of the sludge. These bacteria molecules (destroyed native bacteria) are more accessible substrates for micromycete species.
  • the oxidation takes place in a short time of the order of 30 minutes, upstream of the contact basin, which makes it possible not to attack the mycelial species.
  • One will use either an injection in line respecting a residence time upstream, or a tank with a residence time on average of 30 minutes with agitation.
  • oxidizing reagent for example, use will be made, for example, of an H 2 O 2 storage tank, an iron sultate salt storage tank, and a tank for the preparation of the oxidizing mixture.
  • injected dosages of oxidizing reagent will be used directly, using appropriate pumps and regulations.
  • it will be possible to choose a treatment only with micromycetes, or a treatment with micromycetes associated with an oxidizing treatment and / or an antibiotic treatment.
  • An installation 1 known from the prior art comprises from upstream to downstream:
  • the sludge fraction at the outlet of the basin 4 is returned by transfer means 6 to the basin 3 of activated sludge.
  • the installation 1 further comprises: a contact basin 8 in which the mycelia are brought into contact with the sludge which comes from the sampling of the recirculated sludge by means of pipe 7, or possibly directly from the pond 3 by driving means 7a
  • a mycelium culture bioreactor 9 transferred via a line 10 to the contact basin 8.
  • the sludge thus treated by the mycelia is removed from the basin 8 to an area 11 of sludge treatment and storage.
  • the sludge undergoes, if necessary, an ultimate treatment or a combination of treatments (dehydration, centrifugation, drying, thermolysis, incineration) of the sludge (or other outlets) in a downstream zone 15.
  • the contact basin 8 comprises an air inlet 12.
  • the installation comprises a pre-treatment tank 16 upstream of the contact basin (or mycelial digestion tank). 8, therefore positioned either on the sludge supply line 7 or again on the sampling line 7 a.
  • each step a single element of the installation. It is understood that the number of each element is likely to be adapted according to the sizing and the type of installation.
  • the bioreactor 9 operates according to the principle analogous to the "trickle bed", using an ordered packing medium.
  • This bioreactor 9, which could be named “low-volume mycelial bed” in a proportion ranging from 1/100 to 1/50 of the contact basin 8, is used to cultivate the aerated mycelial cocktail after having been selected for each type of mud.
  • the size of the bioreactor 9 is dependent on the flow to be treated but also on the quality and / or the composition of the effluents to be treated.
  • An appropriate amount of mycelial preparation is transferred via line 10 into contact vat 8.
  • the mycelial preparation produced in bioreactor 9 comprises spores and mycelia.
  • the volume of sludge treated in the contact basin 8 corresponds to a residence time of several days, it is aerated and inoculated by the spores and mycelium produced in situ, and stirred continuously using an agitator 14.
  • the treated sludge is optionally directed from the outlet S of the contact basin 9 via a pipe 17 to an aerated zone 11 in order to prevent any risk of phosphorus release in the case where a biological (or mixed) dephosphatation has been applied. in the upstream die.
  • the sizing volume having taken into account a direct discharge into the dehydration system (or any other system) downstream, the pumping of the effluents is done directly without intermediate storage. It should be noted that sizing of the sludge die downstream is reduced due to the reduction of sludge volume, but also optimized by obtaining better drainability of the sludge and better dewaterability.
  • the operation of the system can take both forms, continuous or by tarpaulin.
  • the method comprises a sludge pumping phase extracted from the activated sludge die in the pond 3, or recirculation 6, to feed the aerobic treatment phase in the contact basin 8.
  • This basin 8 is in the form of a structure equipped with ventilation ramps 13 and according to the designs of a stirring system 14.
  • the aerobic biodigestion is continuously fed on the one hand by the sludge to be degraded from the basin sludge 3 and secondly by the mycelial mixture which develops independently in the bioreactor 9.
  • the sludge also called effluent to be treated
  • whose recommended pH varies between 5.5 and 9 feeds this contact basin 8 by pumping with a moderate flow over the recirculation of the sludge of the aeration basin, using a main pump and a backup pump in parallel.
  • the filling of the contact basin 8 is thus progressive, continuous and regulated while respecting a residence time in this basin 8 of at most 10 days of the effluent to be treated and at least 24 hours. According to the flows to be treated with taking into account the management of the storage volumes, this duration can be increased, the efficiency of the process will be only slightly favored and the complementary time will not correspond to an economic optimum.
  • the contact basin 8 is dimensioned taking into account the residence time and the sludge concentration expressed in MS (g / L): this imposes a overall volume classically equipped with the equipment necessary for its proper functioning. This book is ventilated at the bottom of the pond. Medium bubble type airlift can be selected or any similar system.
  • a syncopated homogenization is possibly required according to the periods and the type of effluents to be treated.
  • the contact basin 8 contains a substantially constant mycelial population because the connected system of the bioreactor type 9 makes it possible to generate continuous populations with a limited growth rate.
  • a simple automation control known to those skilled in the art can act on both aeration and brewing.
  • Regulating probes and / or indicating temperature, oxygenation and pH are desirable to verify the good stability of these parameters: pH ranging from 5.5 to 9, temperature from 10 to 30 ° C, slow stirring Oxygenation of 1 to 5 mg / L dissolved oxygen (in some cases this parameter may be increased), residence time approximately 5 days.
  • the bioreactor 9 for producing continuous mycelia is now more precisely described. It must be able to provide the microbial biomass that it contains and that develops there, the quantity of oxygen which it needs. It involves mixing three phases: an aqueous phase (the culture medium), a gaseous phase (the gas of oxygenation of the mycelia, typically of air), a biotic phase constituted by the microbial biomass with mycelial majority.
  • an aqueous phase the culture medium
  • a gaseous phase the gas of oxygenation of the mycelia, typically of air
  • a biotic phase constituted by the microbial biomass with mycelial majority.
  • the smooth progress of the process is related to the transfer phenomena between the cells (mycelia and spores) and the culture medium. It is first of all a transfer of matter from the external medium to the cell as regards the substrate and the compounds of the culture medium necessary for cell growth, in the opposite direction for the products of the metabolism of the cells in culture. . In order for the transfers to be carried out correctly, the distribution of the cells in the culture medium must be the best possible. In aerobic mycelium culture, it is the oxygenation gas that creates the turbulence and allows the maintaining the cells in homogeneous suspension. The geometry of the bioreactor is designed so that oxygen transfer is as efficient as possible.
  • the supply of nutrients makes it possible to promote the development of micromycetes microorganisms and thus has an influence on the kinetic behavior of the microbial population present.
  • the bioreactor 9 typically comprises, at the air inlet, an air filtration system designed to prevent contamination by undesired microorganisms, especially yeasts.
  • the contact basin 8 is designed according to the type of process that must take place there.
  • the bioreactor 9 is designed to allow as good contact as possible between the two biotic and abiotic phases of the system.
  • the bioreactor establishes the established regime of the process described. When the established regime is reached (maximum level of sludge reduction performance), the regular supply of a sufficient quantity of sludge (substrate for the flora) makes it possible to maintain the microbial population with a constant degree of performance.
  • the effective treatment of the sludge in the contact basin 8 is obtained by using a supply of micromycetes, produced in situ in the bioreactor 9, in the basin 8, and / or a recirculation of sludge having already remained in the contact basin 8.
  • the choice depends in particular on the type of effluent to be treated.
  • the treatment with micromycetes is carried out with recirculation on the water stream: sludge treated with micromycetes is discharged from outlet S, take line 17 and then line 17a to return to line 6.
  • a culture and / or injection system will preferably be used in order to permanently provide a high load of microorganisms.
  • This culture is carried out in the bioreactor 9 from selected microbial products (inoculum of strains and its culture medium based on malt extract, starch, etc.) and specific nutrients (source of carbon, nitrogen , etc.) for the amplification of the inoculum.
  • repetitive inputs of biocatalysts may be automatically performed during the process.
  • sludge loaded with micromycetes application of inoculation on the first day
  • micromycete cultures may not be sufficiently specific (uncontrolled development in the presence of nutrients from non-specific and non-repetitive flora) .
  • a mixture of a selected "exogenous" fungi and other "endogenous” amplified and nutrient regulated flora will preferably be used.
  • the process then makes it possible to constantly overdose the "active ingredient” and maintain the technical performance despite variations in the flow or composition of sludge.
  • the bioreactor 9, allowing on-site production and / or continuous injection of microorganisms in the contact basin 8, allows permanent and optimal colonization of the sludge. Compared to the definition of the chemostat mode which involves a single inoculation on the first day and then self-sufficiency, this is an additional security.
  • the bioreactor 9 can be in a variety of forms, such as a cylindrical column, of variable height depending on the sizing flows: air, surface of the contact lining. It comprises, for example, three parts: a lower part making it possible to collect a liquid loaded with mycelium, pumped and then poured into the upper part of the column which forms a spraying system (spray boom designed in such a way that the mycelia are not fragmented).
  • the central portion contains a structured type of packing or other, to optimize the implantation of the cultivated population, its fixation and development in favorable conditions.
  • This packing can be of different types and different materials, the main thing being to allow the attachment of the mycelia.
  • This spraying generated by a recirculation of the liquid (via a pump) allows its runoff on the lining of the tower and thus moistens the mycelia that adsorb the components of the liquid.
  • This bioreactor 9 with a capacity of the order of a few liters or tens of liters depending on the size of the installation, is surmounted by a roof-type cover allowing free passage of airflow but preventing rain falls.
  • the exchanges are favored by a countercurrent between the air and the concentrated liquid percolating on the lining.
  • the injection of the flow via the degradation tank of the material is preferably carried out gravitationally or, failing this, the pumping technology makes it possible to preserve the microorganisms injected into a favorable metabolism.
  • a thermoregulation may be necessary in the case where the bioreactor 9 is not protected from freezing.
  • the bioreactor 9 is designed to obtain a very limited consumption of inoculum to be implanted, because of the autonomy of the system which operates in permanent recirculation, this recirculation ensuring optimal contact for the mycelial population with the constituents promoting its development.
  • the temperature is typically of the order of 10 to 30 ° C.
  • a biological punctual analytical follow-up makes it possible to check the growth of the different species of mycelium constitutive of the selected cocktail.
  • An analytical chemical monitoring, existing on the treatment stations makes it possible to be located on the performances of the system.
  • the degradation time is predefined according to the initial characteristics but may vary according to the variations of flow treated upstream. It is a system which adapts perfectly to this kind of fluctuation: the analytical follow-ups make it possible to ensure the good performance of degradation.
  • the method of treating by mycelial vision can be implemented by recirculation on the activated sludge, or on the water treatment die.
  • the process is similar to that described both conceptually and dimensionally. Nevertheless, the variation ranges of flows, residence times, volume of the contact basin are different and generate optimizations imposing selection criteria for different works.
  • the mycelial selection is the same and may even benefit from synergies between bacterial and mycelial flora.
  • this oxidant is typically injected into the pretreatment tank 16 or in line according to the embodiments and residence times retained on the links 7 or 7a.
  • FIG. 2 Another embodiment of the invention is described, involving a membrane filtration process of sludge treated with micromycetes.
  • the installation 1 does not comprise a contact basin or mycelial digestion tank 8: the digestion of the sludge by micromycetes takes place directly in a pre-treatment basin 18 in which are immersed filtration 19.
  • This basin 18 is similar to the basin 3 described above but also contains the filtration means 19.
  • this pool 18 designated mixed treatment pool, combining treatment with micromycetes and membrane filtration, the sludge is optionally activated; basin 18 is aerobic.
  • the treated water from the filtration means 19 is discharged through a pipe 20 to an outlet 21; the submergence water pressure of the module, supported by a suction pump downstream, allows the passage of treated water through the membranes. Water is directly rejected or even potentially usable for recycling. Indeed, the membrane walls make it possible to overcome a clarification step and the quality of the water is optimized. It is also possible to provide a backwashing system 21a.
  • the sludge from the tank 18 is evacuated via a pipe 22 to a sludge die 23, for example dehydration.
  • the installation may comprise separation means 24, extracted sludge.
  • the sludge may be discharged through an outlet 25 or recirculated by circulation means 26 from the inlet filtrate 27 of the mixed treatment vessel 18.
  • the installation comprises a bio-reactor 28 similar to the bioreaacteu 9 described above.
  • micromycetes produced in the bioreactor 28 are conveyed to the mixed treatment tank 18 via a line 29.
  • a portion of the filtrate from line 26 may be conveyed via line 30 to the inlet of the bioreactor 28.
  • the membrane filtration means 19 is typically in the form of one or more modules 31 immersed in the mixed treatment tank 18.
  • the process combines a biological treatment of wastewater with activated sludge with a high concentration of MES to a separation of the biomass from the water treated by the membranes.
  • the membrane modules 31 may comprise an aeration at their base intended to ensure, on the one hand, the supply of oxygen necessary for the proper development of the biomass (air necessary for aeration of the sludge: required time of contact with the oxygen for the oxygenation of the mixed bacterial and mycelial culture), and on the other hand the passage of the mixed liquor through the membrane tissue.
  • This large bubble aeration system can sometimes be associated with an additional fine bubble system in order to satisfy the needs.
  • a suitable backpressure system can be used to allow for spot clearing of the membranes.
  • a backwashing system can also allow this declogging.
  • the permeability of the membranes ensures the retention of suspended solids as well as the majority of bacteria and germs. It is possible to use, for example, hydrophilic hollow fiber membranes having a permeability of the order of 0.1 to 0.4 ⁇ m.
  • the total energy requirement of the process is of the order of 2 to 3 kWh / m 3 of permeate.
  • the specific yield is of the order of 0.4 to 0.5 m 3 per m 2 / day.
  • the combination of a micromycete treatment method and a membrane process makes the treatment conditions optimal.
  • the sludge concentration in MES, MVS, etc. is greater than that conventionally encountered in the sludge die activated alone. This concentration is favorable for the mycelial process. - thanks to the coupling of the process, there is no more "mycelial tank” since the mycelial digestion is done directly in the activated sludge.
  • the method of reducing the volume of sludge is compact is optimized.
  • the membrane process per se, is described for example in documents such as Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment - Husain et al - WQI March / April 1999.
  • the coupling treatment with micromycetes, membrane process optimizes and further improves the treatment.
  • the membranes constituting a carrier of microorganisms during air cleaning the film formed is not completely detached from the membrane tissue, this is an advantage.
  • the selected mycelial cocktail develops and degrades the organic matter independently of this "intimate contact" created by the membrane between the sludge and the constituent mycelial strains themselves of the sludge. Nevertheless, this contact film accelerates the degradation reaction.
  • the mycelial cocktail can be selected according to the texture of the membrane. Indeed, among the species cited in the first patent, we will select a suitable cocktail and promote the development of species, always in a catabolic mode, which will not damage the membrane tissues. The working criteria remain the same on the membranes, the working flow is very different according to the installations on average 20 to 30 l / m 2 / h for membranes realized in plate form for example.
  • Micromycete strains which can be used in the previously described methods micromycetes, coupled treatment micromycetes / membrane process or association of oxidative pretreatment upstream of the mycelial treatment). These are of course non-pathogenic strains
  • the inventor isolated various strains of micromycete fungi in sludge from several sewage treatment plants using appropriate techniques.
  • These media are sterilized by heating at 120 ° C for 15 minutes before use. They are solid at room temperature.
  • the isolation and quantification of the mycelial populations present in the sludge of purification plants were carried out using a technique of digitization by culture on Petri dishes, method known as Formant Units. Colony (UFC) or Selection by exhaustion. The samples are taken at the recirculation circuit of activated sludge ponds.
  • This technique involves inoculating aliquots of suspensions-dilutions, made from the sample to be assayed, in or on a sterile culture medium suitable for the microorganisms to be evaluated.
  • the study population underwent ten to ten dilutions (from 10 "1 to 10 " 7 ). At each dilution, 0.1 mL of solution was removed and then spread on the surface of a solid agar medium in Petri dishes (spreading is provided by a sterile disposable loop). For each dilution, two separate solid media are inoculated: GSC (Chloramphenicol Sabouraud Agar) and PDA (Glucose Agar with Potato Extract). This latter medium is less selective and more favorable for bacterial growth. GSC medium is specific for mycelial growth.
  • the spores of a selected thallus are resuspended and then decimal diluted (up to 10-6 ) .
  • the removal of the spores is done with a Pasteur pipette previously broken (as a scraper).
  • the mildew center is recovered (spores + mycelium) and then resuspended in sterilized water, and in eleven samples, eleven molds were isolated.
  • Culture medium is poured into test tubes (9 ml of medium per tube). Each tube is closed with cotton to protect the internal atmosphere from any external microbial contamination without suppressing the flow of oxygen. The whole is sterilized by autoclaving for 15 minutes at 120 ° C. At this temperature, the culture medium is liquid. At the outlet of the autoclave, the tubes are inclined so that the agar is up to 2/3. In less than an hour, the medium solidifies.
  • Six slants were made by mold: • a slant is set aside and kept cold,
  • the other four are intended to be resuspended and transferred to cryogenic tubes, the form in which the strain is integrated into the library. Eleven strains were purified. Seeding is done with a broken Pasteur pipette. The spores, scraped from the petri dishes in the third isolation phase, are suspended in the little water present in the bottom of the tubes (condensation due to the cooling of the medium). Spreading is then easy and is made by streaking down. We then carry out a conservation step and put in souchotèque. Once the incubation week has passed, the spores and mycelium are recovered. Finally, a purity and cleanliness check is performed to ensure that there are no contaminants. Production trials are initiated before the final entry of the strain into the commercial range. If the tests are conclusive, the strain is permanently integrated into the library: about fifty cryogenic tubes are prepared and stored, they serve as a reserve for the launch of future industrial productions.
  • the preparation of pure cultures requires not only the isolation of a given microorganism from a natural population, but also the maintenance of this microorganism in an isolated atmosphere.
  • Microorganisms are grown in small volumes and containers (test tube, Erlenmeyer flask or Petri dish). These containers must be sterilized before inoculation (UV, ray, dry or wet heat) and then protected against external contamination.
  • PDA medium is less selective than GSC medium and less adapted to mold growth, colonies of bacteria and yeast will proliferate more easily.
  • micromycetes The activity of micromycetes was measured using two contact ponds 8 (or process tanks) equipped with appropriate equipment for aeration, regulation, agitation: a process tank 8 in which the defined mixture (or cocktail) is injected, a control process tank 8 in which no mycelial cocktail is injected. Both vats are subjected to the same conditions of pH, temperature, aeration. The flow to be processed is exactly the same; only differs the biomass since in the process tank are the selected mycelial species. Numerous species, species associations but also essential parameters such as residence time, physicochemical parameters, have been tested.
  • the residence time has also been tested in order to evaluate the growth of exogenous and endogenous flora and to choose the optimum in terms of degradation of organic matter taking into account the economic factor (more or less significant residence time involving more or less expensive installations).
  • the inventor has confirmed the important effect of aeration on the development of the fungal cocktail in a mode favoring its degradative capacities.
  • samples are taken at time 0 in order to carry out the budgets on the volume and the quantity of the sludge: by way of example and in a non-exhaustive way, the concentrations MES, MN.S, MS, NM, MM, but also nitrogen and phosphorus, COD as well as treated fluxes are quantified over the days
  • Biological analyzes were carried out for the titration of the bacterial flora. After injection of the cocktail into the process tank (no injection in the control tank), biological analyzes were carried out for the titration of the bacterial and fungal flora. The titration accurately informs about the actual mycelial population.
  • the test is done for example according to the following protocol:
  • the continuous mode is set up using a daily feed (spread over a time slot) over a period of a few minutes per hour in succession to the daily extraction carried out on a period of a few minutes per hour; - taking a sample upstream of the process tank in order to carry out the assessments on the volume and the quantity of the mud actually brought into the mycelial digestion tank: as an example and in a non-exhaustive way, MES and MN .S, then MS, MN, MM, but also nitrogen and phosphorus, COD ... (with biological analyzes for the titration of the bacterial flora); - start up of the bioreactor with in situ production of the selected species;
  • Sludge treated with micromycetes in the contact basin typically has the following concentrations.
  • micromycetes to be administered to the sludge can be selected in order to better control the treatment, in particular as a function of the parameters of the installation (middle conditions of the purification of wastewater and residual sludge which are there, composition of the sludge, flow of the installation ).
  • the life cycle of micromycetes, multicellular organisms offers several significant differences compared to bacteria: slower growth and different from that of bacteria, enzymatic material of degradation of organic matter more complex and oriented towards a wider variety of substrates.
  • micromycetes represent about one-third of the oxygen required by a bacterial population.
  • micromycetes will use all forms of available oxygen supply to optimize the degradation of organic matter. The process is thus qualified as low energy.
  • mycelial species may also be chosen for their beneficial effect on plants, with useful applications for sludge intended for spreading: for example, strains known for their phytoprotective properties will be used. More generally, the methods described above offer a high degree of modularity and flexibility depending on the micromyecites chosen.
  • This method also allows, without limitation, an improvement of the drainability of the sludge, a pre-hygiene of the sludge, changes in the C / N, C / P ratios.
  • the performance of the treatment varies according to the operating conditions (selection of the parameters making it possible to achieve the optimum performances) but also according to the type of effluent and therefore of the substrate to be degraded.
  • a certain number of possible pre-treatments (applied to the stream partially or totally) make it possible to increase the performances significantly.
  • the sludge stress before the mycelial treatment is possible via the use of enzyme, thermophilic catalysts, acidification, ozone, osmotic shocks, other oxidants and oxidation reagents.
  • performance clearly may be reached under specific conditions on given effluents.

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Abstract

Procédé de traitement de boues de station d'épuration à dominante urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des boues par des micromycètes.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DES BOUES DE STATIONS D'EPURATION PAR VOIE MYCELIENNE
L'invention concerne un procédé de traitement biologique pour la 5 réduction des boues de stations d'épuration et une installation mettant en œuvre un tel procédé. Plus spécialement le domaine considéré est celui du traitement des eaux résiduaires à dominante urbaine.
Ce procédé est particulièrement destiné au traitement de boues issues du traitement de tels effluents à dominante « urbaine » et dont l'épandage réglementé 10 nécessite des solutions de traitement sans transfert du problème de pollution et dans le cadre du respect des écosystèmes.
On connaît déjà différents traitements d'épuration des eaux usées. Typiquement, les eaux usées subissent un traitement physique et/ou chimique (éventuellement en plusieurs étapes) conduisant à la production de boues. Ces 15 boues subissent alors une activation par voie chimique et/ou enzymatique, ou tout mécanisme analogue, puis éventuellement une déshydratation, une centrifugation, un séchage (ou analogue) avant d'être évacuées de la station d'épuration.
En particulier, afin de réduire le volume de boues généré dans les procédés de traitement des eaux usées de type « boues activées » ou similaire, on
20 cherche à favoriser le catabohsme des microorganismes endogènes. Ceci peut être réalisé en jouant sur l'âge des boues ou encore en couplant des procédés associant la lyse cellulaire avec un traitement biologique aérobie (CO2) ou anaérobie (CH ).
Différents procédés de digestion anaérobie, aérobie (thermophyle ou non) sont connus. Ils utilisent des biomasses transformantes constituées en grande
25 partie de bactéries, telles que Pseudomonas, dont le cycle de vie conduit à la transformation d'une fraction du carbone organique de la boue en gaz (CO2 ou méthane). Le processus est contrôlé par un temps de séjour des boues minimal mais suffisamment long.
D'autres procédés visent à limiter la biomasse très variée retrouvée dans 30 les boues : bactéries, algues notamment. Malgré les différents procédés connus, la quantité de boues est souvent trop élevée et le besoin demeure de la réduire encore très fortement. Les traitements anaérobies thermophiles connus donnent des résultats meilleurs que les traitements aérobies mais nécessitent des installations complexes. L'invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur.
L'invention vise en particulier à dégrader une fraction plus importante de la matière organique de la boue dans une gamme allant de 20 à 40 % en moyenne de la quantité de Matière Sèche (Matière Organique et Matière Minérale) des boues, afin de diminuer d'autant le volume. L'invention peut viser également à contrôler en outre le rythme de cette dégradation, pour optimiser le rythme de traitement des effluents en fonction des contraintes amont et aval de l'installation.
L'invention vise aussi une économie globale des coûts d'exploitation d'une station de traitement et d'épuration STEP, les dépenses d'élimination des boues résiduelles étant croissantes.
A cet effet l'invention a pour objet selon un premier aspect un procédé de traitement de boues de station d'épuration à dominante urbaine, comprenant une étape de traitement des boues par des micromycètes. Par le terme micromycètes, on fait référence à des microorganismes, par opposition aux champignons supérieurs. On entend à la fois la notion de mycélium qui est l'appareil végétatif, et les spores. On entend de plus tout champignon inférieur, utilisé en quantité suffisante pour contribuer à la dégradation des boues, cette dégradation étant évaluée par des techniques appropriées à la portée de l'homme du métier. Ainsi les espèces citées plus loin sont à considérer comme des exemples non limitatifs, l'invention couvrant l'utilisation d'espèces dont l'activité de dégradation des boues est démontrée. Dans la description qui suit on utilisera indifféremment le terme micromycète ou mycélium par souci de simplicité. De manière préférée, on inclut tout particulièrement des espèces qui peuvent être sélectionnées par des protocoles de sélection appropriés tels que décrits plus loin. Cette sélection de souches ensuite mises en culture facilite la production en grande quantité d'une préparation mycélienne active contre les boues. Une fois la sélection de souches effectuée, une préparation d'au moins une de ces souches sera administrée aux boues à traiter.
Parmi les micromycètes efficaces pour dégrader les boues, certaines espèces peuvent être retrouvées dans des boues de station d'épuration. On parle de micromycètes endogènes. Mais ces micromycètes sont présents en quantité insuffisante dans ces boues pour les dégrader de manière suffisante. Et ils ne sont pas implantés dans des conditions favorisant le mode de métabolisme recherché pour une dégradation optimale de la matière.
Certaines espèces peuvent être également obtenues à partir d'autres sources biologiques. Selon une réalisation, le procédé comprend, en parallèle du traitement des boues par les micromycètes, la culture en continu des micromycètes.
Le temps de traitement des boues par les micromycètes est compris typiquement entre 1 et 10 jours, typiquement entre 2 et 5 jours. Les flux de mycélium et de boues à traiter sont régulés dans l'installation en conséquence. II est réalisé typiquement à pH de l'ordre de 5.5 à 9, à une température entre 10 et
30°C. On préférera une agitation lente, avec une oxygénation de l'ordre de 1 à 4 mg/L d'oxygène dissous.
Selon une réalisation on utilise une seule souche de micromycètes. Selon une autre réalisation on associe plusieurs souches différentes, formant un mélange mycélien, éventuellement à effet synergique.
Selon des réalisations préférées, les micromycètes sont choisis parmi les genres PENICILLIUM, TRICHODERMA, PHOMA, MUCOR, FUSARIUM.
GALACTOMYCES, ASPERGILLUS, BOTRYTIS, GEOMYCES et leurs mélanges. En particulier on pourra utiliser parmi les moisissures PENICILLIUM roqueforti, PENICILLIUM camembertii, PENICILLIUM chrysogenum (notatum, meleagrinum, flavidomarginatum, rubens, chlorophaeum, camerunense, aromaticum, harmonense), PENICILLIUM atramentosum, TRICHODERMA viride, TRICHODERMA Koningii, TRICHODERMA reesei, MUCOR hiemalis, MUCOR mucedo, MUCOR racemosus, MUCOR circinelloïdes, MUCOR fuscus, MUCOR circinelloides. MUCOR racemosus, MUCOR plumbeus, GALACTOMYCES geotricum, ASPERGILLUS phoenicis, ASPERGILLUS niger, ASPERGILLUS ficuum, FUSARIUM equisetii, GEOTRICUM candidum, PHOMA glomerata, BOTRYTIS Cinerea, GEOMYCES pannorum et leurs mélanges.
Selon un mode de réalisation, d'autres microorganismes sélectionnés, non mycéliens, peuvent être associés éventuellement à la composante mycélienne pour vivre en synergie et développer les mêmes fonctions. Ces microorganismes sont notamment des bactéries, des levures, des protozoaires, des amibes. Parmi les levures, on pourra utiliser des levures Saccharomyces. Parmi les bactéries, on pourra utiliser des bactéries du genre Bacillus, et en particulier des alicyclobacillus, des paenibacillus, des brevibacillus, des aneurinibacillus, des virgibacillus. On pourra utiliser en particulier les espèces suivantes de Bacillus : subtilis, anthracis, cereus, licheniformis, megaterium, pumilus, sphaericus, thuringiensis. Parmi les espèces de bactéries thermophiles on pourra en particulier utiliser : bacillus stearothermophilus, bacillus thermoglucosidasius, bacillus thermodenitrificans.
On pourra également utiliser des bactéries halobacillus telles que sporosarcina halophila.
Selon un autre mode de réalisation, à l'inverse, on associera des micromycètes à au moins un autre microorganisme produisant un agent antibiotique. La demanderesse a en effet constaté, de manière surprenante, l'effet synergique sur la dégradation des boues obtenu par l'utilisation combinée d'agents antibiotiques et de micromycètes. Les agents antibiotiques peuvent être produits in situ ou additionnés avant ou en même temps que les micromycètes. De tels agents antibiotiques peuvent être apportés par certaines espèces comme le Pénicillium (notamment c γsogenum) et des Aspergillus, des Paecilomyces. L'interprétation proposée réside dans l'effet inhibiteur de l'activité bactérienne par les antibiotiques au profit du fonctionnement de la population mycélienne, ce qui permet de favoriser la dégradation de la matière. Les métabolismes mycéliens sont ainsi renforcés par rapport aux métabolismes bactériens dans la cuve de digestion mycélienne (bassin de contact décrit plus loin). On pourra également utiliser d'autres espèces productrices d'antibiotiques, telles que des streptomyces. Les molécules antibiotiques sont typiquement des enzymes, et/ou des molécules protéiques, des composés cycliques, des acides fuscidiques. Selon des réalisations, on n'utilise de telles espèces capables de générer des molécules antibiotiques qui permettent de favoriser l'implantation de la biomasse exogène au détriment de la biomasse endogène, qu'en phase de démarrage ou ponctuellement dans l'année d'utilisation. En effet, ces espèces aident les espèces mycéliennes à bien s'implanter, ce qui permet d'optimiser le processus de dégradation de la matière organique.
Selon une réalisation, on utilise des espèces productrices d'agents antibiotiques pour favoriser l'implantation des espèces mycéliennes dans le bioréacteur pour éviter une contamination du bioréacteur.
Selon un autre mode de réalisation très avantageux, on associera aux micromycètes des agents oxydants. La demanderesse a en effet constaté de manière surprenante l'effet synergique sur la dégradation des boues, de l'utilisation combinée d'agents oxydants et de micromycètes. Le procédé comprendra alors une étape de traitement des boues par au moins un agent oxydant, injecté en ligne ou dans une cuve de prétraitement. Ce traitement oxydant précède le traitement biologique par des micromycètes, et a une durée typiquement inférieure à trois heures, de préférence de l'ordre de 30 minutes. De manière préférée, l'agent oxydant comprend H2O2 et des sels ferreux ou ferriques. On préférera le réactif de Fenton ou analogue. Toutefois d'autres oxydants peuvent être utilisés tels que COMPLETER
Tout comme dans le cas de l'utilisation d'antibiotiques décrite précédemment, l'utilisation d'un tel agent oxydant permet de déséquilibrer les populations présentes dans les boues et dans la cuve de digestion mycélienne en faveur des espèces mycéliennes, ce qui permet d'augmenter leur travail de dégradation de la matière. La demanderesse a en effet démontré qu'à un dosage donné de réactif de Fenton (calculé en fonction de la concentration des boues exprimée en MES g/1), une réaction de pré-drégadation de la matière génère une accessibilité plus aisée au substrat pour les espèces mycéliennes présentes dans notre cocktail. L'utilisation du réactif de Fenton augmente de 5 à 30 % en moyenne (parfois plus selon les qualités initiales des boues) le rendement de dégradation de la matière organique par rapport à l'utilisation seulement de micromycètes.
On pourra utiliser des sels ferreux ou des sels ferriques. Le réactif est typiquement utilisé à des températures de l'ordre de 10 à 40°C. La quantité de réactif sera contrôlée afin d'éviter une élévation trop forte de température lors du traitement oxydant.
Le pH des boues traitées par le réactif de Fenton est typiquement de l'ordre de 5 à 8, de préférence de l'ordre de 5,5 à 6,5. On utilisera typiquement une dose de 0.001 à 0.1 g H2O2/gMES (MES initialement présente dans l'alimentation de la cuve de digestion mycélienne) et 0.0001 à 0.01 g FeSO4/gMES (MES initiale), de préférence 0.01 g H2O2/gMES associé à 0.001 g FeSO4 / g MES. La solution de H2O2 de laboratoire titre à 50 %, la solution industrielle (par tonne) titre à 30 % ; quant au sulfate de fer FeSO4 il se présente le plus souvent sous forme de cristaux vendus commercialement sous forme solide. La demanderesse a démontré que le réactif de Fenton utilisé seul sur les boues non additionnées du cocktail mycélien après le traitement oxydant, n'a pas d'effet au pH naturel et dans les conditions de traitement. L'interprétation proposée de l'effet synergique surprenant constaté est, d'un point de vue microbiologique, une inhibition du métabolisme bactérien partiel ou total selon les cas par l'oxydant utilisé, ce qui crée un différentiel utilisé par les espèces mycéliennes qui ont accès au substrat beaucoup plus facilement et librement.
Selon une réalisation, la culture des micromycètes est aérobie, et se fait en continu en bioréacteur.
Selon une réalisation, les boues sont traitées en continu. Le débit de traitement est fonction d'une part de la concentration en MS des boues, et d'autre part de la charge polluante. On estime par tranche de 1000 eq.hab (avec prise en compte d'un rapport MS/DBO5 de l'ordre de 0.8 à 1, ce paramètre variant selon le type d'eaux usées à traiter) une variation de débit de l'ordre de 2 à 10 m3/jour/1000 eq.hab. Selon un mode de mise en œuvre en continu, les micromycètes sont injectés à un débit de l'ordre de 0.01 à 10% du volume de boues à traiter par jour, typiquement de l'ordre de 2 à 5%. Comme on le verra, ils sont administrés sous forme d'une culture en milieu liquide.
Selon un mode de mise en œuvre dans lequel les boues sont traitées en discontinu, les micromycètes sont injectés à raison d'un volume de 0.01 à 15%, typiquement de l'ordre de 2 à 10% du volume de boues à traiter par jour.
Grâce à l'invention, la quantité de matière sèche des boues traitées par les micromycètes est réduite de l'ordre de 10 à 50%, typiquement de l'ordre de 20 à 30%, par rapport à celle des boues non traitées. Selon les paramètres de réglage cette dégradation peut être supérieure.
Selon un autre mode de réalisation le procédé de traitement par micromycètes comprend une étape simultanée de filtration membranaire des boues (effluents) traitées par les micromycètes. Selon un autre aspect l'invention concerne un procédé de traitement des eaux dans une station d'épuration à dominante urbaine, comprenant les étapes successives suivantes :
- traitement physique et/ou biologique des eaux usées, conduisant à la production de boues acheminées dans au moins une cuve de premier traitement,
- le cas échéant activation des boues de ladite cuve,
- le cas échéant clarification des boues activées,
- traitement biologique par des micromycètes, d'au moins une partie des boues le cas échéant activées, dans au moins un bassin de contact biologique situé à l'aval de la cuve de premier traitement, en mettant en oeuvre un procédé tel que décrit précédemment,
- le cas échéant évacuation des boues traitées dans le bassin de contact biologique. Selon un autre aspect l'invention concerne un procédé de traitement des eaux dans une station d'épuration à dominante urbaine, comprenant les étapes successives suivantes :
- traitement physique et/ou biologique des eaux usées, conduisant à la production de boues (effluents) acheminées dans au moins une cuve de traitement mixte,
- le cas échéant activation des boues de ladite cuve,
- traitement biologique par des micromycètes et à l'aide d'un système de filtration membranaire, d'au moins une partie des effluents le cas échéant activées, dans la cuve de traitement mixte, en mettant en oeuvre un procédé membranaire tel que décrit précédemment. Selon un autre aspect l'invention concerne une installation de traitement d'effluents de station d'épuration à dominante urbaine, destinée à mettre en œuvre un tel procédé, comprenant : - une cuve de premier traitement comportant des boues d'épuration, - en aval de la cuve de premier traitement, au moins un bassin de contact biologique destiné à la dégradation d'au moins une partie des boues par les micromycètes,
- en parallèle du bassin de contact biologique, un bioréacteur de culture en continu de micromycètes.
Selon un autre aspect l'invention concerne une installation de traitement d'effluents de station d'épuration à dominante urbaine, destinée à mettre en œuvre un procédé combinant traitement par micromycètes et traitement membranaire, comprenant : - une cuve de traitement mixte comportant des effluents d'épuration à traiter, destinée à la dégradation d'au moins une partie des boues (effluents) par les micromycètes, la cuve de traitement mixte comprenant un système de filtration membranaire, - en parallèle de la cuve de traitement mixte, un bioréacteur de culture en continu de micromycètes,
Typiquement, le bioréacteur comprend :
- des moyens d'arrivée de nutriments et d'un inoculum à cultiver,
- des moyens de répartition homogène des micromycètes dans le bioréacteur, - des moyens de transfert de micromycètes cultivés vers le bassin de contact.
Dans les réalisation avec bassin de contact de digestion mycélienne, celui- ci comprend des moyens d'arrivée des micromycètes, des moyens d'arrivée des boues, des moyens d'agitation, des moyens d'aération, des moyens d'évacuation des boues traitées, et de préférence des moyens de régulation des débits d'arrivée et de sortie des boues et des micromycètes, du pH et de la température.
Le bassin de contact a une capacité adaptée à l'installation. La capacité est notamment fonction du temps de séjour des boues à traiter. A titre d'exemple, pour un temps de séjour des boues traitées de 5 jours et une concentration de 6 à 20 g/L en MS, le volume du bassin de contact varie de 10 à 40 m3 par tranche de 1000 eq.hab (équivalents habitants).
Le traitement peut être biologique ou mixte (agents chimiques et biologiques). Typiquement dans les réalisations utilisant des antibiotiques, on associe des espèces connues pour sécréter des principes antibiotiques utilisés au sein même du bassin de contact afin d'inhiber la population bactérienne. Ceci requiert de développer et produire ces mêmes espèces au sein du bioréacteur mais aussi éventuellement, et dans certains cas, dans un bioréacteur parallèle. On préparera ainsi des échantillons composés du cocktail de micromycètes de dégradation associé aux espèces qui devront agir comme inhibiteurs bactériens.
Dans les réalisations utilisant des agents oxydants, des résultats nettement meilleurs sont obtenus lorsque les micromycètes sont injectés en aval de cette oxydation. L'interprétation proposée est la suivante. Les boues de stations d'épuration sont constituées majoritairement de biomasse. Cette biomasse native est difficile à atteindre telle que et l'effet d'un oxydant permet de dégrader partiellement ces bactéries constitutives de la boue. Ces molécules de bactéries (bactéries natives détruites) constituent des substrats plus accessibles pour les espèces de micromycètes. La mise en contact des boues prétraitées par oxydation, avec les boues du bassin de contact, conduit au déséquilibre des populations au sein de la cuve au profit des micromycètes.
De préférence, l'oxydation a lieu en un temps court de l'ordre de 30 mn, en amont du bassin de contact, ce qui permet de ne pas agresser les espèces mycéliennes. On utilisera soit une injection en ligne en respectant un temps de séjour en amont, soit une cuve d'un temps de séjour en moyenne de 30 mn avec agitation.
Selon une variante on utilisera par exemple une cuve de stockage de H2O2, une cuve de stockage de sels de sultate de fer, une cuve de préparation du mélange oxydant. Selon une autre variante on utilisera des dosages injectés de réactif oxydant directement, à l'aide de pompes et régulations appropriées. Selon les performances souhaitées et le type de boues à traiter on pourra choisir un traitement seulement par micromycètes, ou un traitement par micromycètes associé à un traitement oxydant et/ou un traitement antibiotique.
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, illustrée par la figure 1.
Une installation 1 connue de l'art antérieur comprend d'amont en aval :
-un bassin de stockage et/ou de traitement 2 des eaux à traitées, dans lequel peuvent avoir eu lieu des prétraitements mécaniques et/ou chimiques, -en aval de ce bassin 2, au moins un bassin de boues ou cuve de premier traitement 3, les boues n'étant pas encore exposées aux mycéliums, et étant éventuellement activées,
-en aval de ce bassin de boues activées 3, un bassin de clarification ou similaire 4, la fraction clarifiée sortant de ce bassin 4 étant évacuée en sortie 5 de la station d'épuration.
La fraction boues en sortie du bassin 4 est reconduite, par des moyens de transfert 6 vers le bassin 3 de boues activées.
Selon l'invention, l'installation 1 comprend en outre : -un bassin de contact 8 dans lequel les mycéliums sont mis en contact avec les boues qui proviennent du prélèvement des boues recirculées par des moyens de conduite 7, ou éventuellement directement du bassin 3 par des moyens de conduite 7a
-un bioréacteur 9 de culture des mycéliums, transférés par un conduit 10 jusqu'au bassin de contact 8.
Les boues ainsi traitées par les mycéliums sont évacuées du bassin 8 vers une zone 11 de traitement des boues et de stockage. Les boues subissent le cas échéant un traitement ultime ou encore une association de traitements (déshydratation, centrifugation, séchage, thermolyse, incinération) des boues (ou autres débouchés) dans une zone avale 15. Le bassin de contact 8 comprend une arrivée d'air 12.
Lorsque l'on prévoit un prétraitement des boues typiquement à l'aide d'au moins un agent oxydant tel que décrit précédemment, l'installation comprend une cuve de pré-traitement 16 en amont du bassin de contact (ou cuve de digestion mycélienne) 8, donc positionnée soit sur la ligne 7 d'alimentation des boues soit encore sur la ligne de prélèvement 7 a.
Par souci de clarté on a représenté à chaque étape un seul élément de l'installation. Il est entendu que le nombre de chaque élément est susceptible d'être adapté en fonction du dimensionnement et du type d'installation.
Le bioréacteur 9 fonctionne suivant le principe analogue au "lit à ruissellement", en utilisant un support à garnissage ordonné. Ce bioréacteur 9, qui pourrait être nommé "lit mycélien" de faible volume dans une proportion allant de l/100ème à l/50eme du bassin de contact 8, est utilisé pour cultiver le cocktail mycélien sur support aéré après avoir été sélectionné pour chaque type de boue. La taille du bioréacteur 9 est dépendante du flux à traiter mais aussi de la qualité et /ou de la composition des effluents à traiter. Une quantité appropriée de préparation mycélienne est transférée à l'aide de la conduite 10 dans la cuve de contact 8. La préparation mycélienne produite dans le bioréacteur 9 comprend des spores et des mycéliums.
Le volume de boue traitées dans le bassin de contact 8 correspond à un temps de séjour de plusieurs jours, il est aéré et ensemencé par les spores et le mycélium produits in situ, et brassé en continu à l'aide d'un agitateur 14.
Les boues traitées sont éventuellement dirigées de la sortie S du bassin de contact 9 par une conduite 17, vers une zone 11 aérée afin de prévenir tout risque de relargage des phosphores dans le cas où une déphosphatation par voie biologique (ou mixte) aurait été appliquée dans la filière en amont. Dans d'autres cas, le volume dimensionnant ayant pris en compte un déversement direct dans le système de déshydratation (ou tout autre système) situé en aval, le pompage des effluents se fait directement sans stockage intermédiaire. Il est à noter que le dimensionnement de la filière boue en aval se trouve diminué du fait de la réduction du volume des boues, mais également optimisé grâce à l'obtention d'une meilleure drainabilité de la boue et une meilleure aptitude à la déshydratation. L'exploitation du système peut prendre les deux formes, continue ou par bâchée. En site industriel, le fonctionnement continu sera privilégié afin d'obtenir un lissage des valeurs de dégradation de la matière et de favoriser les conditions de développement de la population mycélienne. Le fonctionnement par bâchée peut aussi trouver des applications lors de fonctionnements saisonniers. Dans un fonctionnement en continu, le procédé comprend une phase de pompage des boues extraites de la filière boues activées dans le bassin 3, ou sur la recirculation 6, permettant d'alimenter la phase de traitement aérobie dans le bassin de contact 8 . Ce bassin 8 est sous la forme d'un ouvrage équipé de rampes d'aération 13 et selon les conceptions d'un système d'agitation 14. La biodigestion aérobie est alimentée en continu d'une part par les boues à dégrader venant du bassin de boues 3 et d'autre part par le mélange mycélien qui se développe de manière indépendante dans le bioréacteur 9.
La boue (également désignée effluent à traiter), dont le pH préconisé varie entre 5.5 et 9, alimente ce bassin de contact 8 par pompage avec un débit modéré sur la recirculation des boues du bassin d'aération, à l'aide d'une pompe principale et d'une pompe de secours en parallèle. Le remplissage du bassin de contact 8 est ainsi progressif, continu et régulé tout en respectant un temps de séjour dans ce bassin 8 d'au maximum 10 jours de l'effluent à traiter et d'au minimum 24 heures. Selon les flux à traiter avec prise en compte de la gestion des volumes de stockage, cette durée peut être augmentée, l'efficacité du procédé n'en sera que très légèrement favorisée et le temps complémentaire ne correspondra pas à un optimum économique.
Le bassin de contact 8 est dimensionné en prenant en compte le temps de séjour et la concentration des boues exprimée en MS (g/L) : ceci impose un volume global classiquement doté des équipements nécessaires à son bon fonctionnement. Cet ouvrage est aéré en fond de bassin. Des rampes d'aération type moyenne bulle peuvent être sélectionnées ou tout système similaire.
Une homogénéisation syncopée est éventuellement requise selon les périodes et le type d'effluents à traiter.
Le bassin de contact 8 contient une population mycélienne sensiblement constante car le système connecté de type bioréacteur 9 permet de générer des populations continues à taux de croissance limité.
Une régulation automatisation simple connue de l'homme du métier permet d'agir à la fois sur l'aération et le brassage.
Des sondes de régulation et ou d'indication de température, d'oxygénation et de pH sont souhaitables afin de vérifier la bonne stabilité de ces paramètres : pH pouvant varier de 5,5 à 9, température de 10 à 30 °C, agitation lente, oxygénation de 1 à 5 mg/L d'oxygène dissous (dans certain cas ce paramètre peut être majoré), temps de séjour environ de 5 jours.
On décrit maintenant plus précisément le bioréacteur 9 de production de mycéliums en continu. Celui-ci doit être capable de fournir à la biomasse microbienne qu'il contient et qui s'y développe, la quantité d'oxygène dont elle a besoin. Il s'agit de mélanger trois phases : une phase aqueuse (le milieu de culture), une phase gazeuse (le gaz d'oxygénation des mycéliums, typiquement de l'air), une phase biotique constituée par la biomasse microbienne à majorité mycélienne.
Le bon déroulement du procédé est lié aux phénomènes de transferts entre les cellules (mycéliums et spores) et le milieu de culture. Il s'agit tout d'abord de transfert de matière, du milieu extérieur vers la cellule pour ce qui est du substrat et des composés du milieu de culture nécessaires à la croissance cellulaire, en sens inverse pour les produits du métabolisme des cellules en culture. Pour que les transferts puissent s'effectuer correctement, la répartition des cellules dans le milieu de culture doit être la meilleure possible. En culture aérobie des mycéliums, c'est le gaz d'oxygénation qui crée la turbulence et permet le maintien des cellules en suspension homogène. La géométrie du bioréacteur est conçue pour que le transfert d'oxygène soit le plus efficace possible.
L'apport de nutriments permet de favoriser le développement des microorganismes micromycètes et exerce donc une influence sur le comportement cinétique de la population microbienne présente.
Pour que les microorganismes soient répartis de façon homogène, que l'oxygène nécessaire soit apporté et la température maintenue, on utilise des moyens de transfert appropriés. Au fur et à mesure que le développement microbien se poursuit, la concentration cellulaire augmente, la concentration en produits synthétisés par les microorganismes aussi, tandis que le milieu s'appauvrit en substrat. Le bioréacteur 9 comprend typiquement, à l'entrée d'air, un système de filtration de l'air, destiné à éviter une contamination par des microorganismes non souhaitée, levures notamment.
Durant le traitement des boues dans le bassin de contact 8, les caractéristiques rhéologiques et chimiques du milieu changent, ce qui entraîne des modifications de fonctionnement, les transferts ne s' effectuant plus de la même façon. Il est donc recommandé d'agir sur les modalités de fonctionnement pour faire en sorte que la population microbienne soit à tout moment dans les meilleures conditions et que son comportement cinétique soit optimal au sein du bassin de contact 8 : puissance d'agitation, et/ou débit d'air, et/ou ajout de substrats, voire ajout de réactifs, et/ou la régulation de la température et du pH (toutes ces opérations étant facilement automatisables).
Le bassin de contact 8 est conçu en fonction du type de processus qui doit s'y dérouler. Quel que soit le microorganisme, le bioréacteur 9 est conçu pour permettre un contact aussi bon que possible entre les deux phases biotique et abiotique du système. Le bioréacteur instaure le régime établi du procédé décrit. Lorsque le régime établi est atteint (niveau de performance de réduction des boues maximum), l'apport régulier d'une quantité suffisante de boues (substrat pour la flore) permet de maintenir la population microbienne à un degrés de performance constant. L'obtention d'une station de traitement fonctionnant comme un fermenteur industriel (production de biomasse) c'est à dire le plus souvent en mode chemostat (une culture en milieu renouvelé) garantie la rusticité, simplicité et l'autonomie du système.
Le traitement efficace des boues dans le bassin de contact 8 est obtenu en utilisant un apport de micromycètes, produits in situ dans le bioréacteur 9, dans le bassin 8, et/ou une recirculation de boues ayant déjà séjourné dans le bassin de contact 8. Le choix dépend notamment du type d'effluents à traiter. Selon une réalisation, le traitement par les micromycètes s'effectue avec une recirculation sur la filière eau : des boues traitées par les micromycètes sont évacuées de la sortie S, empruntent la conduite 17 puis une conduite 17a pour revenir vers la conduite 6.
Afin de pallier les « accidents aléatoires » (variations non contrôlables ou prévisibles des boues), le concept de la bio-augmentation est intégré dans le procédé. On utilisera de préférence un système de culture et/ou d'injection afin d'apporter en permanence une forte charge de microorganismes. Cette culture est effectuée dans le bioréacteur 9 à partir de produits microbiens sélectionnés (inoculum de souches et son milieu de culture à base d'extrait de malte. d'amidon ...) et de nutriments spécifiques (source de carbone, d'azote, etc. ...) pour l'amplification de l'inoculum. Selon une réalisation, des apports répétitifs de biocatalyseurs pourront être automatiquement réalisés au cours du process. Dans ce cas des boues chargées en micromycètes (application de l'inoculation au premier jour) servent elles-mêmes d'inoculum. Toutefois, dans certains cas, compte tenu de la richesse et de la complexité naturelle des boues en microorganismes, les cultures de micromycètes peuvent ne pas être suffisamment spécifiques (développement anarchique en présence des nutriments d'une flore non-spécifique et non-répétitive). On utilisera alors de préférence un mélange entre une flore de champignons « exogènes » sélectionnés et d'une autre flore « endogène » amplifiée et régulée par les nutriments. Le procédé permet alors de surdoser en permanence le « principe actif» et de maintenir la performance technique malgré des variations dans les flux ou la composition des boues. Le bioréacteur 9, permettant la production sur site et/ou l'injection en continu de microorganismes dans le bassin de contact 8, permet une colonisation permanente et optimale des boues. Par rapport à la définition du mode chemostat qui implique une seule inoculation au premier jour et ensuite une autosuffisance, il s'agit d'une sécurité supplémentaire.
Au démarrage de l'installation, le système est ensemencé par un cocktail sélectionné et adapté au type d'effluent à dégrader. Cette étape permet la mise en route de l'installation car elle génère le fonctionnement autonome de l'ensemble. Le bioréacteur 9 peut se présenter sous des formes très variées, telle qu'une colonne cylindrique, de hauteur variable selon les flux dimensionnants : air, surface du garnissage de contact. Il comprend par exemple trois parties : une partie basse permettant de collecter un liquide chargé de mycélium, pompé puis reversé dans la partie haute de la colonne qui forme un système de pulvérisation (rampe d'aspersion conçue de telle manière que les mycéliums ne soient pas morcelés). La partie centrale contient un garnissage de type structuré ou autre, permettant d'optimiser l'implantation de la population cultivée, sa fixation et son développement dans des conditions favorables. Ce garnissage peut être de différents types et de différents matériaux, l'essentiel étant de permettre la fixation des mycéliums. Cette aspersion générée par une recirculation du liquide (via une pompe) permet son ruissellement sur le garnissage de la tour et humidifie ainsi les mycéliums qui adsorbent les composants du liquide.
Ce bioréacteur 9, d'une capacité de l'ordre de quelques litres ou dizaines de litres selon la taille de l'installation, est surmonté d'un couvercle de type toit laissant passer librement le flux d'air mais prévenant des chutes pluviales.
Les échanges sont favorisés par un contre-courant entre l'air et le liquide concentré percolant sur le garnissage. L'injection du flux via le bassin de dégradation de la matière est réalisée de préférence de manière gravitaire ou, à défaut, la technologie de pompage permet de conserver les microorganismes injectés dans un métabolisme favorable. Une thermorégulation peut-être nécessaire dans le cas où le bioréacteur 9 ne serait pas protégé du gel.
Le bioréacteur 9 est conçu de manière à obtenir une consommation très limitée d'inoculum à implanter, du fait de l'autonomie du système qui fonctionne en recirculation permanente, cette recirculation assurant un contact optimal pour la population mycélienne avec les constituants favorisant son développement. La température y est typiquement de l'ordre de 10 à 30 °C.
Un suivi analytique biologique ponctuel permet de vérifier la croissance des différentes espèces de mycéliums constitutives du cocktail sélectionné. Un suivi analytique chimique, existant sur les stations de traitement permet de se situer sur les performances du système. Le temps de dégradation est prédéfini selon les caractéristiques initiales mais peut varier selon les variations de flux traité en amont. C'est un système qui s'adapte parfaitement à ce genre de fluctuation : les suivis analytiques permettent de s'assurer du bon rendement de dégradation.
Selon une variante, le procédé de traitement par voir mycélienne peut être mis en place en recirculation sur la boue activée, soit sur la filière de traitement eau. Le procédé est analogue à celui décrit tant sur le plan du concept que du dimensionnement. Néanmoins les gammes de variation des débits, temps de séjour, volume du bassin de contact, sont différentes et génèrent des optimisations imposant des critères de sélection des ouvrages différents. La sélection mycélienne est la même et pourra même bénéficier de synergies entre les flores bactériennes et mycéliennes.
Dans les réalisations utilisant un oxydant tel que la réactif de Fenton, cet oxydant est typiquement injecté dans la cuve de prétraitement 16 ou en ligne selon les réalisations et les temps de séjour retenus sur les liaisons 7 ou 7a.
On décrit maintenant un autre mode de réalisation de l'invention faisant intervenir un procédé de filtration membranaire des boues traitées par les micromycètes. Dans ce procédé membranaire illustré par la figure 2, l'installation 1 ne comprend pas de bassin de contact ou cuve de digestion mycélienne 8 : la digestion des boues par micromycètes a lieu directement dans un bassin de prétraitement 18 dans lequel sont plongés des moyens de filtration 19. Ce bassin 18 est analogue au bassin 3 décrit précédemment mais contient en plus les moyens de filtration 19.
Dans ce bassin 18 désigné bassin de traitement mixte, combinant un traitement par les micromycètes et une filtration membranaire, les boues sont le cas échéant activées; le bassin 18 est aérobie. L'eau traitée issue des moyens de filtration 19 est évacuée par une conduite 20 vers une sortie 21; la pression d'eau de submersion du module, soutenue par une pompe d'aspiration en aval, permet le passage de l'eau traitée à travers les membranes. L'eau est directement rejetée ou même potentiellement utilisable pour un recyclage. En effet, les parois membranaires permettent de s'affranchir d'une étape de clarification et la qualité de l'eau est optimisée. On peut également prévoir un système de contrelavage 21a.
Les boues issues de la cuve 18 sont évacuées par une conduite 22 vers une filière boue 23 par exemple de déshydration.
En sortie de la filière 23, l'installation peut comprendre des moyens de séparation 24, des boues extraites. Les boues peuvent être évacuées par une sortie 25 ou recirculer par des moyens de circulation 26 du filtrat en entrée 27 de la cuve de traitement mixte 18.
Tout comme dans le mode de réalisation décrit précédemment, l'installation comprend un bio réacteur 28 analogue au bioréacteu 9 décrit précédemment.
Les micromycètes produits dans le bioréacteur 28 sont conduits vers la cuve de traitement mixte 18 par une conduite 29.
Le cas échéant, une partie du filtrat issu de la conduite 26 peut être acheminée par une conduite 30 vers l'entrée du bioréacteur 28. Les moyens de filtration à membranes 19 se présente typiquement sous la forme d'un ou plusieurs modules 31 immergés dans la cuve mixte de traitement 18.
Le procédé associe un traitement biologique des eaux résiduaires par boues activées à forte concentration en MES à une séparation de la biomasse de l'eau traitée par les membranes. Les modules de membranes 31 peuvent comprendre une aération à leur base destinée à assurer, d'une part l'apport d'oxygène nécessaire au bon développement de la biomasse (air nécessaire à l'aération des boues : temps requis de contact avec l'oxygène pour l'oxygénation de la culture mixte bactérienne et mycélienne), et d'autre part le passage de la liqueur mixte à travers le tissu membranaire. Ce système d'aération grosses bulles peut parfois être associé à un système fines bulles additionnel afin de satisfaire les besoins. Un système adapté de contre pression peut être utilisé pour permettre le décolmatage ponctuel des membranes. Un système de contre lavage peut aussi permettre ce décolmatage. La perméabilité des membranes assure la rétention des matières en suspension aussi bien que de la majorité des bactéries et des germes. On pourra utiliser par exemple des membranes fibres creuses hydrophiles ayant une perméabilité de l'ordre de 0,1 à 0,4 μm. Le besoin énergétique total du procédé est de l'ordre de 2 à 3 kWh/m3 de perméat. Le rendement spécifique est de l'ordre de 0,4 à 0,5 m3 par m2/jour.
Grâce à une telle installation permettant aux espèces mycéliennes de travailler in situ dans la filière eau, l'association d'un procédé de traitement par micromycètes et d'un procédé membranaire rend optimales les conditions de traitement.
Plusieurs avantages sont constatés :
- ceux du procédé membranaire (qualité de l'eau optimisée ; absence de clarification (ouvrages importants));
- dans ce procédé, la concentration en boue (en MES, MVS....) est supérieure à celle classiquement rencontrée dans la filière boue activée seule. Cette concentration est favorable pour le procédé mycélien. - grâce au couplage du procédé, il n'y a plus de "cuve mycélienne" puisque la digestion mycélienne se fait directement dans la boue activée.
Le procédé de réduction du volume de boue est compact est optimisé. Le procédé membranaire, en soi, est décrit par exemple dans des documents tels que Membrane bioreactors for municipal wastewater treatment - Husain et al - WQI March/April 1999 . Mais le couplage traitement aux micromycètes, procédé membranaire, optimise et améliore encore davantage le traitement. Par ailleurs, les membranes constituant un support des microorganismes lors du décolmatage à l'air, le film formé n'est pas totalement détaché du tissu membranaire, ceci est un avantage. En effet, le cocktail mycélien sélectionné se développe et dégrade la matière organique indépendamment de ce "contact intime" créé par la membrane entre la boue et les souches mycéliennes constitutives elles-mêmes de la boue. Néanmoins, ce film de contact accélère la réaction de dégradation. En outre, certaines espèces de mycètes à caractères spécifiques permettent de purifier les parasites éventuels. Ce procédé permet également avantageusement la recirculation du filtrat soit dans le bassin 18 soit dans le bioréacteur 28 selon l'application : dans ce filtrat, des espèces sont encore préservées et recyclées.
Par ailleurs, on peut sélectionner le cocktail mycélien en fonction de la texture de la membrane. En effet, parmi les espèces cités dans le premier brevet, on sélectionnera un cocktail adapté et qui favorisera le développement d'espèces, toujours selon un mode catabolique, qui n'endommageront pas les tissus membranaires. Les critères de travail restent les mêmes sur les membranes, le débit de travail est très différent selon les installations en moyenne 20 à 30 l/m2/h pour des membranes réalisées sous forme de plaque par exemple.
On décrit maintenant plus précisément les souches de micromycètes qui peuvent être utilisés dans les procédés décrits précédemment (traitement aux micromycètes, traitement couplé micromycètes / procédé membanaire ou encore association de pré-traitement oxydant en amont du traitement mycélien). Il s'agit bien entendu de souches non pathogènes
L'inventeur a isolé différentes souches de champignons micromycètes dans des boues de plusieurs stations d'épuration en utilisant des techniques appropriées. Les milieux de cultures suivants, GSC et PDA, classiquement utilisés pour des titrages de laboratoires, ont été utilisés pour l'isolement, la qualification et la quantification des populations microbiennes présentes dans des échantillons de boues de ces stations d'épuration :
Ces milieux sont stérilisés par chauffage à 120°C pendant 15 minutes avant utilisation. Ils sont solides à température ambiante.
L'isolement et la quantification des populations mycéliennes présentent dans les boues de stations d'épuration ont été réalisés au moyen d'une technique de numérisation par culture sur boîtes de Pétri, méthode dite Unités Formant Colonie (UFC) ou Sélection par épuisement. Les échantillons sont prélevés au niveau du circuit de recirculation des bassins de boues activées.
Cette technique consiste à ensemencer des parties aliquotes de suspensions-dilutions, réalisées à partir de l'échantillon à doser, dans ou sur un milieu de culture stérile convenant aux microorganismes à évaluer.
L'isolement des souches s'effectue en trois étapes. Un délai d'incubation de cinq à sept jours est nécessaire entre chacune d'elle.
- une première phase d'isolement :
La population à étudier a subi des dilutions de dix en dix ( de 10"1 à 10"7). A chaque dilution, 0.1 mL de solution ont été prélevés, puis répandus à la surface d'un milieu gélose solide en boîte de Pétri (l'étalement est assuré par une anse jetable stérile). Pour chaque dilution, deux milieux solides distincts sont ensemencés : GSC (Gélose de Sabouraud au Chloramphénicol) et PDA (Gélose glucosée à l'extrait de pomme de terre). Ce dernier milieu est moins sélectif et plus favorable à la croissance bactérienne. Le milieu GSC est spécifique à la croissance mycélienne.
Les résultats ont été obtenus après cinq jours d'incubation à 25°C. Conformément au principe de la sélection par épuisement, plus le degré de dilution augmente, plus la proportion et la diversité des microorganismes qui se développent sont faibles.
-une deuxième étape d'isolement (ou première purification) :
Les spores d'un thalle sélectionné sont remises en suspension, puis subissent une dilution décimale (jusqu'à 10"6). Le prélèvement des spores s'effectue à l'aide d'une pipette pasteur préalablement cassée (pour servir de grattoir) et stérilisée à la flamme. Le centre des moisissures est récupéré (spores + mycélium) puis remis en suspension dans de l'eau stérilisée. Sur dix échantillons étudiés, onze moisissures ont été ainsi isolées.
- une troisième d'isolement (purification de la souche :
Après prélèvement des spores de la souche choisie, un ensemencement est effectué, par piqûre centrale à l'aide d'une pipette pasteur cassée, le but étant d'obtenir une seule colonie par boîte de Pétri (culture pure). Trois boîtes par moisissure isolée ont été ensemencées, chacune des boîtes contenant des milieux de cultures différents (milieux GSC, PDA et YCG, une autre gélose glucosée au chloramphénicol). La culture obtenue étant pure, l'influence du milieu sur le développement mycélien est flagrante. L'incubation prend cinq à sept jours à 25°C.
En fin de troisième isolement, une observation au microscope à immersion est menée pour une pré-identification des souches isolées. On observe les appareils reproducteurs ceux-ci étant le premier critère de distinction des espèces dans la classification.
On a ensuite réalisé une ultime étape d'isolement : l'ensemencement de slants.
Du milieu de culture est coulé dans des tubes à essai (9mL de milieu par tube). Chaque tube est fermé à l'aide de coton afin de protéger l'atmosphère interne de toute contamination microbienne externe sans pour autant supprimer les flux d'oxygène. Le tout est stérilisé à l'autoclave 15 minutes à 120°C. A cette température, le milieu de culture est liquide. A la sortie de l'autoclave, les tubes sont inclinés de façon à ce que la gélose remonte au 2/3. En moins d'une heure, le milieu se solidifie. Six slants ont été réalisés par moisissure : • un slant est mis en réserve et conservé à froid,
• un part en identification dans un laboratoire extérieur spécialisé afin de connaître avec précision l'espèce isolée,
• les quatre autres sont destinés à être remis en suspension et transvasés dans des tubes cryogéniques, forme sous laquelle la souche est intégrée à la bibliothèque. Onze souches ont été purifiées. L'ensemencement se fait à l'aide d'une pipette pasteur cassée. Les spores, prélevées par grattage dans les boîtes de Pétri en troisième phase d'isolement, sont mises en suspension dans le peu d'eau présent dans le fond des tubes (condensation due au refroidissement du milieu). L'étalement est alors facile et s'effectue par strie en descendant. On effectue ensuite une étape de conservation et mise en souchotèque. Une fois la semaine d'incubation passée, les spores et le mycélium sont récupérés. Pour finir, un contrôle de pureté et de propreté est effectué afin de s'assurer de l'absence de contaminants. Des essais de production sont lancés avant l'entrée définitive de la souche dans la gamme commerciale. Si les essais sont concluants, la souche est définitivement intégrée à la bibliothèque : une cinquantaine de tubes cryogéniques sont préparés et rangés, ils servent de réserve pour le lancement de futures productions industrielles.
La préparation de cultures pures réclame non seulement l'isolement d'un microorganisme donné à partir d'une population naturelle, mais aussi le maintien de ce microorganisme dans une atmosphère isolée.
Les microorganismes se cultivent dans des volumes et récipients de petites tailles (tube à essais, fiole d'Erlenmeyer ou boîte de Pétri). Ces récipients doivent être stérilisés avant l'inoculation (UV, rayon, chaleur sèche ou humide) et ensuite protégés contre la contamination externe.
Le milieu PDA est moins sélectif que le milieu GSC et moins adapté à la croissance des moisissures, les colonies de bactéries et de levures y proliféreront plus facilement.
Des onze moisissures isolées, dix l'ont été après culture sur milieu GSC et une après culture sur milieu PDA.
Une différence aussi bien quantitative que qualitative sépare les effluents urbains des effluents industriels. D'une manière générale, les spécimens isolés à partir d'effluents urbains, n'apparaissent pas dans les autres stations ou alors en quantité moindre. On présente maintenant les principaux résultats de biodégradation des boues par les micromycètes, obtenus sur station d'épuration de 5000 eq / hab.
L'activité des micromycètes a été mesurée en utilisant deux bassins de contact 8 (ou cuves de procédé) dotés des équipements appropriés d'aération, de régulation, d'agitation : une cuve de procédé 8 dans laquelle le mélange (ou cocktail) défini est injecté, une cuve de procédé 8 témoin dans laquelle aucun cocktail mycélien n'est injecté. Les deux cuves sont soumises aux mêmes conditions de pH, température, aération. Le flux à traiter est exactement le même ; seule diffère la biomasse puisque que dans la cuve de procédé se situent les espèces mycéliennes sélectionnées. De nombreuses espèces, associations d'espèces mais aussi des paramètres essentiels tels que le temps de séjour, les paramètres physico- chimique, on été testés.
Le temps de séjour a été également testé afin d'évaluer la croissance des flores exogènes et endogènes et de choisir l'optimal en matière de dégradation de la matière organique avec prise en compte du facteur économique (temps de séjour plus ou moins important impliquant des installations plus ou moins coûteuses). Parmi les paramètres physico-chimiques qui permettent d'accélérer les processus et donc de faciliter la bonne marche du procédé, l'inventeur a confirmé l'effet important de l'aération sur le développement du cocktail fongique dans un mode favorisant ses capacités dégradatives.
Différents essais ont été réalisés en batch et en mode continu sur cuves de procédé contenant des effluents chargés en boues dans chacune des cuves.
Pour un fonctionnement en mode batch, des échantillons sont prélevés au temps 0 afin de réaliser les bilans sur le volume et la quantité de la boue : à titre d'exemple et de manière non exhaustive, les concentrations M.E.S, MN.S, M.S, MN, M.M, mais aussi azote et phosphore, DCO ainsi que les flux traités sont quantifiées au fil des jours Des analyses biologiques ont été réalisées pour le titrage de la flore bactérienne. Après injection du cocktail dans la cuve procédé (aucune injection dans la cuve témoin), des analyses biologiques ont été réalisées pour le titrage des flores bactérienne et fongique. Le titrage informe précisément sur la population mycélienne effectivement présente. Pour un fonctionnement en mode continu, l'essai se fait par exemple selon le protocole suivant :
-arrivée continue d'effluents chargés en matière dites « boues » dans chacune des cuves puis sortie en continu d'un volume déterminé pour maintenir le temps de séjour requis (avec prise en compte des flux entrée et sortie) ; vu les volumes de l'installation d'essai, le mode continu est mis en place à l'aide d'une alimentation journalière (étalée selon un créneau horaire) sur une période de quelques minutes par heure successivement à l'extraction journalière réalisée sur une période de quelques minutes par heure ; -prise d'un échantillon en amont de la cuve de procédé afin de réaliser les bilans sur le volume et la quantité de la boue effectivement apportée dans la cuve de digestion mycélienne : à titre d'exemple et de manière non exhaustive, M.E.S et MN.S, puis M.S, MN, M.M, mais aussi azote et phosphore, DCO... (avec analyses biologiques pour le titrage de la flore bactérienne) ; -mise en marche du bioréacteur avec production in situ des espèces sélectionnées ;
-injection du cocktail en continu (selon les volumes l'injection du mélange mycélien peut être séquentielle) dans la cuve de procédé (aucune injection dans la cuve témoin) ; -analyses biologiques pour le titrage des flores bactérienne et fongique des prélèvements réalisés sur le bioréacteur ;
-prise d'échantillon régulière dans le bac de sortie des boues traitées avec demande d'analyses globales tant chimiques que microbiologiques. Le comparatif est effectué entre l'entrée et la sortie mais aussi en parallèle en comparaison avec le témoin.
L'inventeur a constaté des dégradations de la matière organique de l'ordre de 20 à 40 % en moyenne, qui correspondent à une différence de quantité entrante dans le système et d'une quantité sortante du système. Les boues traitées par les micromycètes dans le bassin de contact présentent typiquement les concentrations suivantes.
Au vu de l'ensemble de la description qui précède, l'invention présente plusieurs avantages notables. L'on peut en effet sélectionner le type et la quantité de micromycètes à administrer aux boues afin de contrôler au mieux le traitement, notamment en fonction des paramètres de l'installation (conditions de milieu de l'épuration des eaux résiduaires et des boues résiduelles qui y sont issues, composition des boues, débit de l'installation ...). Le cycle de vie des micromycètes, organismes pluricellulaires, offre plusieurs différences significatives par rapport aux bactéries : croissance plus lente et différente de celle des bactéries, matériel enzymatique de dégradation de la matière organique plus complexe et orienté vers une plus grande variété de substrats. La sélection d'espèces mycéliennes issues du milieu endogène associées, selon les cas, à d'autres espèces connues pour leur capacité dégradative, ainsi que la détermination des conditions physico-chimiques permettent d'assurer la stabilité, l'adaptabilité et l'expression de l'écosystème (mélange fongique complexe) nouvellement incorporé. Ainsi, ce procédé permet d'exploiter les fonctions enzymatiques d'intérêt des écosystèmes exogènes (cocktails fongiques) mais aussi, selon les cas, endogènes (flore déjà présente au sein des boues). On observe une dégradation plus poussée des boues de stations d'épuration par certains « cocktails » de micromycètes face au processus classique d'utilisation des bactéries et protozoaires constitutifs de la boue. La fraction de matière organique totalement oxydée est alors plus importante. La consommation énergétique de ce nouveau procédé est considérablement réduite par rapport à l'art antérieur : les besoins en apport d'oxygène des micromycètes représentent environ le tiers de l'oxygène requis par une population bactérienne. De plus, les micromycètes vont utiliser toutes les formes d'apport d'oxygène disponible afin d'optimiser la dégradation de la matière organique. Le procédé est ainsi qualifié comme peu énergétique.
Ce procédé permet également de maîtriser les rejets des agents pathogènes en les diminuant grâce aux propriétés « antibiotiques » apportées par la population mycélienne. Certaines espèces mycéliennes peuvent en outre être choisies pour leur effet bénéfique sur les plantes, avec des applications utiles pour des boues destinées à l'epandage : on utilisera par exemple des souches connues pour leurs propriétés phytoprotectrices. De manière plus générale, les procédés décrits précédemment offrent une grande modularité et flexibilité en fonction des micromyèctes choisis.
Ce procédé permet aussi de manière non limitative une amélioration de la drainabilité de la boue, une pré-hygiénisation de la boue, des modifications des ratios C/N, C/P....
On notera que la performance du traitement varie selon les conditions opératoires (sélection des paramètres permettant d'atteindre les performances optimales) mais aussi selon le type d'effluent donc de substrat à dégrader. De plus un certain nombre de prétraitements possibles (appliqués sur le flux de manière partielle ou totale) permettent de majorer les performances significativement. Le stress des boues avant le traitement mycélien est possible via l'utilisation d'enzyme, catalyseurs thermophyles, acidification, ozone, chocs osmotiques, autres oxydants et réactifs d'oxydation. Ainsi des performances nettement supérieures peuvent être atteintes dans des conditions spécifiques sur des effluents donnés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de boues de station d'épuration à dominante urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des boues par des micromycètes.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, en parallèle du traitement des boues par les micromycètes, la culture en continu des micromycètes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le temps de traitement des boues par les micromycètes est compris entre 1 et 10 jours, typiquement entre 2 et 5 jours.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le traitement par les micromycètes est réalisé à pH de l'ordre de 5.5 à 9, température entre 10 et 30°C, agitation lente, oxygénation de l'ordre de 1 à 4 mg/L d'oxygène dissous.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'on met en contact avec les boues une seule souche ou plusieurs souches de micromycètes différentes.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les micromycètes sont choisis parmi les genres PENICILLIUM,
TRICHODERMA, FUSARIUM, PHOMA, MUCOR, GALACTOMYCES,
ASPERGILLUS, BOTRYTIS, GEOMYCES et leurs mélanges.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les micromycètes sont choisis parmi : PENICILLIUM roqueforti,
PENICILLIUM camembertii, PENICILLIUM chrysogenum (notatum, meleagrinum, flavidomarginatum, rubens, chlorophaeum, camerunense, aromaticum, harmonense), PENICILLIUM atramentosum, TRICHODERMA viride, TRICHODERMA Koningii, TRICHODERMA reesei, MUCOR hiemalis, MUCOR mucedo, MUCOR racemosus, MUCOR circinelloïdes, MUCOR fuscus, MUCOR circinelloides, MUCOR racemosus, MUCOR plumbeus, GALACTOMYCES geotricum, ASPERGILLUS phoenicis, ASPERGILLUS niger, ASPERGILLUS ficuum, FUSARIUM equisetii, GEOTRICUM candidum, PHOMA glomerata, BOTRYTIS Cinerea, GEOMYCES pannorum et leurs mélanges.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la culture des micromycètes est aérobie.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les boues sont traitées en continu.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les micromycètes sont injectés à un débit de l'ordre de 0.01 à 10%, typiquement de l'ordre de 2 à 5%, du volume de boues à traiter par jour.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les boues sont traitées en discontinu.
12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que les micromycètes sont injectés à un débit de l'ordre de 0.01 à 15%, typiquement de l'ordre de 2 à 10%, du volume de boues à traiter par jour
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que les micromycètes sont au moins en partie endogènes, extraits des boues non encore traitées par les micromycètes.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que la quantité de matière sèche des boues traitées par les micromycètes est réduite de l'ordre de 10 à 50%, typiquement de l'ordre de 20%, par rapport à celle des boues non traitées.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de filtration membranaire des boues traitées par les micromycètes.
16. Procédé de traitement des eaux dans une station d'épuration à dominante urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - traitement physique et/ou biologique des eaux usées, conduisant à la production de boues acheminées dans au moins une cuve de premier traitement (3), le cas échéant activation des boues de ladite cuve (3), - le cas échéant clarification des boues activées,
- traitement biologique par des micromycètes, d'au moins une partie des boues le cas échéant activées, dans au moins un bassin de contact biologique (8) situé à l'aval de la cuve de premier traitement (3), en mettant en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14,
17. Procédé de traitement des eaux dans une station d'épuration à dominante urbaine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : traitement physique et/ou biologique des eaux usées, conduisant à la production de boues acheminées dans au moins une cuve de traitement mixte (18),
- le cas échéant activation des boues de ladite cuve (18), traitement biologique par des micromycètes et à l'aide d'un système de filtration membranaire (19), d'au moins une partie des boues le cas échéant activées, dans la cuve de traitement mixte (18), en mettant en oeuvre un procédé selon la revendication 15,
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des boues par au moins un agent oxydant injecté en ligne ou dans une cuve de prétraitement.
19. Procédé selon la revendication 18 caractérisé en ce que le traitement oxydant précède le traitement biologique par des micromycètes.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19 caractérisé en ce que le traitement oxydant a une durée inférieure à trois heures, de préférence de l'ordre de 30 minutes.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 18 à 20 caractérisé en ce que l'agent oxydant comprend H202 et un sel ferreux ou ferrique.
22. Procédé selon la revendication 21 caractérisé en ce que l'agent oxydant est le réactif de Fenton.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 18 à 22 caractérisé en ce que l'agent oxydant comprend 0.001 à 0.1 g H2O2/gMES (MES des boues initiale avant traitement par les micromycètes) et 0.0001 à 0.01 g
FeSO4/gMES (MES initiale), de préférence 0.01 g H2O2/gMES associé à 0.001 g FeSO4 / g MES.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 23 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des boues par au moins un antibiotique.
25. Procédé selon la revendication 24 caractérisé en ce que l'antibiotique est additionné aux boues avant ou en même temps que les micromycètes.
26. Installation de traitement d'effluents de station d'épuration à dominante urbaine, destinée à mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, 16, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- une cuve de premier traitement comportant des boues d'épuration
(3),
- en aval de la cuve de premier traitement, au moins un bassin de contact biologique (8) destiné à la dégradation d'au moins une partie des boues par les micromycètes,
- en amont du bassin de contact biologique, un bioréacteur (9) de culture en continu de micromycètes.
27. Installation de traitement d'effluents de station d'épuration à dominante urbaine, destinée à mettre en œuvre un procédé selon la revendication 15 caractérisée en ce qu'elle comprend :
- une cuve de traitement mixte (18) comportant des boues d'épuration à traiter, destinée à la dégradation d'au moins une partie des boues par les micromycètes, la cuve de traitement mixte (18) comprenant des moyens de filtration membranaire (19,31), - en parallèle de la cuve de traitement mixte, un bioréacteur (28) de culture en continu de micromycètes,
28. Installation selon la revendication 26 ou 27, caractérisée en ce que le bio réacteur comprend : - des moyens d'arrivée de nutriments et d'un inoculum à cultiver,
- des moyens de répartition homogène des micromycètes dans le bioréacteur,
- des moyens de transfert (10) de micromycètes cultivés vers le bassin de contact (8) ou la cuve de traitement mixte (18). - une filtration de l'air circulant dans le réacteur
29. Installation selon la revendication 26 caractérisée en ce que le bassin de contact comprend des moyens d'arrivée (10) des micromycètes, des moyens d'arrivée des boues (7,7a), des moyens d'agitation (14), des moyens d'aération (13), des moyens d'évacuation des boues traitées (17,17a), des moyens de régulation des débits d'arrivée et de sortie des boues et des micromycètes, du pH et de la température.
30. Installation selon l'une quelconque des revendications 26 à 29 caractérisée en ce qu'elle comprend une cuve d'agent oxydant ou des moyens d'injection en ligne de l'agent oxydant en amont du bassin de contact.
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