Caractérisation de l’effet d’un traitement au peroxyde d’hydrogène sur une boue. Application à la réduction de la production de boue

摘要

Dans le contexte actuel, les voies d’élimination des boues issues du traitement des eaux usées sont soumises à des contraintes multiples, notamment sociales, sanitaires et réglementaires. Des procédés couplés, associant différentes technologies aux procédés biologiques conventionnels, sont actuellement à l’étude pour réduire cette production. Les procédés d’oxydation chimiques, en particulier l’ozonation, semblent engendrer un taux de réduction de la production de boues (RPB) élevé. L’utilisation du peroxyde d’hydrogène n’a été que peu étudiée vis à vis de cet objectif alors qu’il présente a priori un certain nombre d’avantages par rapport à l’ozone. Cette étude vise à caractériser et à analyser l’effet du peroxyde d’hydrogène (H2O2) sur la matière d’une boue ainsi que les performances du couplage d’un réacteur de peroxydation à un système à boue activée.En réacteur fermé, l’action de H2O2 conduit à un taux solubilisation de la matière organique particulaire (mesurée comme COP) élevé qui dépend de la température, étudiée entre 60°C et 95°C. Plus de 85% du COP de boues digérées est solubilisé à 95°C contre 20% pour une boue activée. A 95°C, nous avons varié les conditions opératoires (pH initial, mode d’ajout de H2O2 , rajout de Fe2+ comme catalyseur) afin de déterminer les conditions favorables à un taux de solubilisation du COP élevé tout en maximisant l’efficacité d’action de H2O2. Ces conditions sont : pH initial 8, mode d’ajout ponctuel et T= 95°C. L’ajout de fer n’a pas d’effet visible sur l’efficacité de H2O2. Le taux de solubilisation des matières minérales de la boue est faible. De manière surprenante, le taux de consommation de H2O2 est toujours constant quel que soit le taux d’avancement de la réaction de solubilisation et pour l’ensemble des conditions opératoires mises en jeu. Une consommation de H2O2 pour des réactions compétitives, autres que les réactions de solubilisation existe donc. Etant donné les nombreuses réactions complexes envisageables avec H2O2, seules des hypothèses sur les mécanismes d’action ont été proposées. udLe couplage traitement biologique-traitement chimique par H2O2, a été mis en œuvre en réacteurs ouverts. La caractérisation de la production de boue lors du traitement combiné H2O2-traitement biologique a permis de constater une RPB reproductible de 50% par rapport à la production de boues de référence pour une dose de 0,45gH2O2/gMVS non produites. Une minéralisation des boues est observée confirmant les résultats précédents. udUn modèle existant a été adapté pour représenter l’évolution des variables du procédé combiné. Avec ce modèle les concentrations en DCO de l’effluent et de MVS du bassin d’activation sont correctement représentées. Il sera nécessaire néanmoins de valider ce modèle pour d’autres doses de H2O2. L’analyse économique du procédé montre que le coût des boues non produites en utilisant H2O2 est prohibitif compte tenu du coût actuel de l’élimination des boues. Une optimisation de la dose d’H2O2 utilisée, de la température de travail mais aussi des coûts d’investissement est nécessaire avant d’envisager ce procédé à l’échelle industrielleudud In the current context, the elimination ways of sludge resulting from the wastewater treatment are subjected to social, sanitary and lawful constraints. Coupled processes, associating several technologies to conventional biological processes, are currently studied to reduce this production. The chemical processes of oxidation, in particular ozonization, seem to generate a high reduction ratio of sludge production (RSP). Concerning this objective, the hydrogen peroxide (H2O2) only was little studied whereas it presents a priori some advantages compared to ozone. The aim of this study is the characterization and the analysis of the effect of H2O2 on the sludge matter, as well as the performances of the coupling of a peroxidation system to an activated sludge system. The action of H2O2, in a closed reactor, leads to a high rate solubilization of particulate organic matter (measured as Particulate Organic Carbon) which depends on the temperature, tested between 60°C and 95°C. More than 85% of the POC of digested sludge is solubilized at 95°C compared to 20% for activated sludge. At 95°C, some operating conditions (initial pH, addition mode of H2O2, addition of Fe 2+ like catalyst) were varied in order to determine the favorable conditions to a high rate of POC solubilization, maximizing the effectiveness of H2O2 action. These conditions are: initial pH 8 and addition in one shot. The iron addition has not a visible effect on the H2O2 effectiveness. A little solubilization ratio of mineral matter from sludge is observed. Surprisingly, the consumption ratio of H2O2 is always constant whatever the solubilization ratio and for all of tested operating conditions. Thus, in addition of solubilization reactions, a H2O2 consumption for competitive reactions exists. Hypotheses on the action mechanisms were proposed, given the many possible complex reactions with H2O2. The coupling chemical- biological treatments by H2O2, was carried out in open reactors. The characterization of sludge production at the time of the combined biological-H2O2 treatments made possible to observe a reproducible RSP of 50% compared to the sludge reference production for an amount of 0,45gH2O2/gVSS. A mineralization of sludge is observed confirming the preceding results. An existing model was adapted to represent the evolution of the variables of combined processes. With this model the concentrations in COD of the effluent and VSS of the basin of activation are correctly represented. Nevertheless, it will be necessary to validate this model for other amounts of H2O2. The economic analysis of the process shows that the cost of sludge not produced by using H2O2, is prohibitive taking into account the current cost of the elimination of sludge. An optimization of the amount of H2O2 used, operating temperature but also of the capital costs is necessary to consider this process on an industrial scale