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FR3160174A1 - Dispositif et procédé d’extraction d’ions ammonium d’un digestat - Google Patents

Dispositif et procédé d’extraction d’ions ammonium d’un digestat

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Publication number
FR3160174A1
FR3160174A1 FR2402579A FR2402579A FR3160174A1 FR 3160174 A1 FR3160174 A1 FR 3160174A1 FR 2402579 A FR2402579 A FR 2402579A FR 2402579 A FR2402579 A FR 2402579A FR 3160174 A1 FR3160174 A1 FR 3160174A1
Authority
FR
France
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digestate
liquid
ammonium ions
biodegradable material
liquid fraction
Prior art date
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Pending
Application number
FR2402579A
Other languages
English (en)
Inventor
Roman Moscoviz
Valentin LARZILLIERE
Théodore BOUCHEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suez International SAS
Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement
Original Assignee
Suez International SAS
Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suez International SAS, Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement filed Critical Suez International SAS
Priority to FR2402579A priority Critical patent/FR3160174A1/fr
Priority to PCT/EP2025/056859 priority patent/WO2025191063A1/fr
Publication of FR3160174A1 publication Critical patent/FR3160174A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

L’invention concerne une dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) d’un digestat issu d’un traitement d’un liquide d’enrichissement en matière biodégradable et comprenant : - Une unité de traitement bioélectrochimique (12) recevant un premier volume de digestat et un second volume de liquide d’enrichissement, - Un organe d’acquisition (40) d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat, et d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement, - Un organe de détermination (44) d’une valeur d’un ratio d’un mélange représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, - Un organe de détermination (48) d’un ratio de mélange de digestat et de liquide d’enrichissement en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange, - Un organe de contrôle (52) configuré pour obtenir le. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Dispositif et procédé d’extraction d’ions ammonium d’un digestat
L’invention concerne le domaine du traitement d’effluents par digestion anaérobie, et en particulier le couplage d’un digesteur avec un système bioélectrochimique permettant l’intensification du fonctionnement du digesteur et la récupération de l’azote ammoniacal contenu dans le digestat produit lors de la digestion anaérobie.
La digestion anaérobie correspond à une cascade de réactions biochimiques permettant de convertir la matière organique présente dans le digesteur en biogaz correspondant principalement en un mélange de dioxyde de carbone et de méthane. Les matières restantes sont appelées digestat.
La plupart des procédés de digestion anaérobie ont pour objectif principal la production d’énergie sous forme de biogaz. Cependant, la valorisation des nutriments issus des digestats est de plus en plus étudiée en raison de l’augmentation des prix des engrais inorganiques, notamment des engrais azotés, et de la raréfaction des ressources, notamment du phosphore. Il existe plusieurs approches de valorisation.
Une première approche de valorisation consiste à un épandage direct du digestat issu d’une digestion anaérobie. Cette méthode correspond à la pratique classique mise en œuvre dans la plupart des digesteurs anaérobies pour la valorisation des digestat en application agronomique. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants, puis le digestat est ensuite utilisé pour réaliser des apports d’azote et de phosphore directement en champ. Cependant, cette approche contraint le dimensionnement du digesteur afin que celui-ci puisse exprimer la majorité du potentiel méthanogène des substrats (i.e. il faut développer de gros réacteurs). De plus de nombreuses contraintes réglementaires pèsent sur la qualité du digestat pour son retour au sol, notamment le flux d’azote mais aussi le contenu en pathogènes ou métaux lourds. Enfin, le transport de digestat contenant une importante fraction d’eau représente un coût important, limitant cette solution aux usines de méthanisation décentralisées.
Une seconde approche consiste en une valorisation de la fraction solide du digestat. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants. Le digestat peut ensuite être déshydraté afin d’obtenir une fraction liquide et une fraction solide. La fraction solide peut ensuite être compostée ou séchée puis transportée à des coûts plus faibles que le digestat brut (car contenant moins d’eau). En fonction des contraintes locales, la fraction liquide peut aussi être épandue directement, concentrée et souvent traitée comme une eau usée afin d’abattre son contenu en DCO (demande chimique en oxygène), azote et phosphore. Cependant, la fraction liquide du digestat contient la majorité du flux de l’azote ammoniacal (75 à 80%) qui n’est alors pas valorisé. En outre, son traitement nécessite une infrastructure importante (e.g., nitrification/dénitrification, oxydation anaérobique de l’ammonium) et induit des coûts d’opération significatifs.
Une troisième approche consiste en une récupération de l’azote par production de struvite. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants. Après digestion, une séparation de phases permet de produire une fraction liquide concentrée en ammonium et phosphates (notamment dans la digestion de boues de station de traitement des eaux usées). De la struvite (NH4MgPO4·6H2O) peut être ainsi précipitée ce qui demande notamment des ajustements de pH et un apport de magnésium et un procédé contrôlé de cristallisation. Plusieurs variantes existent. Par exemple, si le digestat est riche en potassium, l’azote du digestat peut être strippé pour une récupération par la suite de K-struvite (MgKPO4·6H2O). Cependant, la précipitation de struvite demande une grande consommation de réactifs chimiques. De plus, plusieurs formes ioniques présentes dans le digestat sont en compétition avec la struvite et résultent dans des sels de moindre valeur, notamment les sels de calcium/fer/aluminium et phosphates. Dans le cas des digestats de déchets organiques, les variations de qualité peuvent rendre le procédé difficile à maitriser et la matière organique dissoute peut impacter la qualité de la précipitation.
Une quatrième approche consiste en un stripage de l’azote conventionnel. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants. Le digestat est ensuite traité, avec ou sans séparation solide/liquide, par stripage du NH3. L’équilibre NH4 +/NH3est déplacé vers le NH3par ajustement de la température et/ou du pH puis un flux de gaz dans une tour de stripage (par exemple : air, biogaz, N2) est imposé au digestat afin d’en extraire le NH3. Ensuite, le NH3est récupéré par absorption dans une tour de lavage acide, classiquement dans une solution d’acide sulfurique. La solution obtenue de sulfate d’ammonium (ou ses cristaux) peut ensuite être commercialisé. Dans une autre configuration possible, une eau ammoniaquée est produite par évaporation du digestat et condensation des vapeurs. L’eau ammoniaquée est ensuite envoyée dans des tours de stripage et lavage tel que décrit précédemment. Selon une telle approche, l’efficacité du stripage augmente avec la concentration d’azote ammoniacal total dans le digestat. Cependant, la présence de haute concentration d’azote ammoniacal dans le digesteur (et donc dans le digestat) peut causer une inhibition du procédé et limiter la production de méthane, ce qui limite la performance techno-économique du stripage. Dans les deux configurations décrites, que ce soit dans le cas du stripage direct ou pendant la phase d’évaporation, le colmatage des colonnes ou des échangeurs thermiques par présence de matière en suspension et/ou dépôt de sel est un problème opérationnel bien connu. De plus, le pilotage de ces procédés physico-chimiques peut s’avérer difficile compte tenu de la variabilité de la qualité des digestats.
Une cinquième approche consiste en une récupération de l’azote par procédé électrochimique. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants. L’azote ammoniacal contenu dans le digestat peut ensuite être récupéré par migration ionique dans un procédé électrochimique, soit par électrodialyse, soit par migration d’un compartiment anodique à un compartiment cathodique. Le système électrochimique peut être positionné sur une boucle de recirculation du digesteur pour une extraction en ligne, ou bien en aval du digesteur. Le flux d’azote ammoniacal concentré peut être ensuite valorisé par stripage et absorption. Cependant, le procédé électrochimique nécessite une différence de potentielle importante pour fonctionner, induisant une consommation d’énergie électrique importante.
Une sixième approche consiste en une récupération de l’azote par procédé bioélectrochimique. Le digesteur est dimensionné pour exprimer la grande majorité de pouvoir méthanogène du ou des intrants. Le procédé est couplé à un procédé bioélectrochimique dont au moins une des réactions d’oxydoréduction est catalysée par des microorganismes électroactifs. Ces systèmes peuvent exploiter l’énergie chimique contenu dans les molécules organiques afin de déplacer des électrons dans un circuit électrique. Le positionnement du système bioélectrochimique est similaire à celui du système purement électrochimique (c’est-à-dire sans microorganismes électroactifs), mais nécessite moins d’énergie, voire pas d’énergie du tout en fonction des réactions catalysées par les microorganismes. Le flux d’azote ammoniacal concentré peut être ensuite valorisé par stripage et absorption. Cependant, l’extraction en ligne de l’azote par les systèmes bioélectrochimiques nécessite la consommation de matière organique par les microorganismes électroactifs présent dans le compartiment anodique. Lorsqu’il est positionné en aval du méthaniseur, le procédé bioélectrochimique est limité par la quantité de matière biodégradable, la grande majorité ayant été convertie en méthane lors de l’étape de digestion anaérobie.
L’invention a notamment pour but de fournir un dispositif d’extraction d’ions ammonium d’un digestat issu d’un traitement par digestion anaérobie d’un intrant comprenant de la matière carbonée et des composés azotés, par exemple de boues de station d’épuration, permettant d’optimiser la récupération des nutriments azotés contenus dans un digestat issu d’un procédé de digestion anaérobie et ce à moindre coût.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé d’extraction d’ions ammonium d’un digestat ou d’une fraction d’un digestat, issu d’un traitement d’un intrant comprenant de la matière carbonée et des composés azotés par digestion anaérobie, par l’intermédiaire d’un dispositif d’extraction d’ions ammonium comprenant une unité de traitement bioélectrochimique configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur apte à laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel, le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • une étape d’acquisition d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique à séparer les ions ammonium, d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat ou de sa fraction liquide amené à l’unité de traitement bioélectrochimique, représentatif d’une quantité d’ions ammoniums relativement à une quantité totale de cations et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou dans sa fraction liquide et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou dans sa fraction liquide, et d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans le liquide d’enrichissement en matière biodégradable amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique,
  • une étape de détermination d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique, et des valeurs déterminées lors de l’étape d’acquisition,
  • une étape de détermination d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
  • une étape de mélange de digestat, ou de fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, et
  • une étape de traitement bioélectrochimique du mélange de digestat, ou de fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable.
Ainsi, on utilise un liquide d’enrichissement pour enrichir le digestat, ou sa fraction liquide, avec de la matière organique biodégradable qui pourra être consommée par les microorganismes électroactifs pour fournir à l’unité de traitement bioélectrochimique l’énergie nécessaire à l’extractions d’ions ammonium. Cet enrichissement permet de compenser la consommation de matière biodégradables par un digesteur, qui est dimensionné pour exprimer de manière satisfaisante le potentiel méthanogène des substrats. Cela implique que le digestat ou la fraction liquide du digestat ne contiennent que peu de matière biodégradable, ce qui limiterait la récupération d’azote dans le système bioélectrochimique du fait d’un déficit en production d’énergie.
En pratique, la récupération de l’ammonium par électrodyalyse est concurrencée par la migration d’autres cations tels que le Na+, K+, ou Ca2+ qui sont présents en quantité importante dans les eaux usées. En effet, la plupart des membranes échangeuses de cations ne sont pas spécifiques d’une espèce cationique ou d’une autre. Une solution consiste à alimenter la cellule bioélectrochimique avec un mélange de liquide d’enrichissement en matière biodégradable et de digestat ou fraction liquide de digestat afin de trouver un compromis entre concentration de matière biodégradable et efficacité de migration de l’ammonium. La composition cationique des digestats ou fractions liquides de digestat est très largement dominée par l’ammonium. De plus, les concentrations en ammonium de ces matrices sont élevées en comparaison d’un liquide d’enrichissement en matière biodégradable comme de l’eau usée (par exemple le digestat de boues issues du traitement des eaux usées urbaines avec une concentration typiquement supérieure à 500 mgN/L). Ainsi, il est possible de trouver un mélange des deux effluents permettant d’augmenter significativement la concentration d’ammonium ainsi que la part de l’ammonium comparativement aux autres cations, tout en gardant un ratio DBO5/N favorable à la récupération de l’ammonium par électrodyalyse. De plus, et dans le cas d’une utilisation d’eau usée en station d’épuration comme source de matière biodégradable, le couplage permet en outre de traiter une partie de la DBO5 de la station d’épuration, diminuant ainsi les dépenses énergétiques liées à l’aération de l’eau usée ainsi que les productions de boues biologiques.
Le procédé d’extraction selon l’invention peut en outre comprendre au moins une des caractéristiques optionnelles suivantes :
  • la valeur d’un ratio caractéristique du mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est comprise entre 0,25 e10 gDCO/gN,
  • l’étape d’acquisition d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable comprend l’acquisition d’au moins un des paramètres suivants : la demande biologique en oxygène, la demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours, la demande chimique en oxygène soluble, la demande chimique en oxygène totale, le carbone organique total,
  • l’étape de détermination d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable comprend une détermination du ratio du mélange en fonction d’un taux de récupération en ammonium, le taux de récupération en ammonium étant déterminé à partir de la détermination d’un flux de migration des ions ammonium par électrodialyse et d’un flux de diffusion des ions au travers du séparateur, et
  • l’étape de traitement bioélectrochimique comprend en outre la mise en œuvre d’une réaction choisie parmi une réaction de réduction du dioxygène ou de nitrate et une réaction de production de dihydrogène ou de molécules organiques d’intérêt choisies parmi les acides organiques, les alcools, le méthane.
L’invention a également pour objet un procédé de traitement biologique d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés pour produire du biogaz et récupérer des ions ammoniums par l’intermédiaire d’une installation de traitement biologique comprenant :
  • un digesteur adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie,
  • une source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
  • un dispositif d’extraction d’ions ammonium comprenant une unité de traitement bioélectrochimique configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur apte à laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel,
le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • une étape de digestion anaérobie produisant du biogaz et le digestat, et
  • le procédé d’extraction d’ions ammonium selon l’invention.
Avantageusement, le procédé de traitement biologique selon l’invention comprend en outre au moins une étape de récupération des ions ammonium contenu dans un effluent enrichi en ions ammonium en sortie d’unité de traitement bioélectrochimique, l’étape de récupération des ions ammonium étant choisie parmi une étape de stripage suivie d’une étape d’absorption de l’azote, une étape de précipitation sous forme de struvite des ions ammonium.
L’invention a également pour objet un dispositif d’extraction d’ions ammonium d’un digestat ou d’une fraction liquide d’un digestat, issu d’un traitement d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés et obtenu par digestion anaérobie, le dispositif comprenant :
  • Au moins une unité de traitement bioélectrochimique configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume d’un liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur configuré pour laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel,
  • au moins un organe d’acquisition d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique à séparer les ions ammonium, d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat, ou de sa fraction liquide, amené à l’unité de traitement bioélectrochimique, représentatif d’une quantité d’ions ammoniums relativement à une quantité totale de cations et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou dans sa fraction liquide, et d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans l’eau usée amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique,
  • au moins un organe de détermination d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique, et des valeurs reçues par l’organe d’acquisition,
  • au moins un organe de détermination d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
  • au moins un organe de contrôle de la quantité de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable à amener à l’unité de traitement bioélectrochimique et configuré pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable.
Le dispositif d’extraction selon l’invention peut en outre comprendre au moins une des caractéristiques optionnelles suivantes :
  • la valeur d’un ratio caractéristique du mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est comprise entre 0,25 et 10 gDCO/gN,
  • le paramètre représentatif de la concentration en matière biodégradable dans le liquide d’enrichissement en matière biodégradable est choisi parmi au moins un des paramètres suivants : la demande biologique en oxygène, la demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours, la demande chimique en oxygène soluble, la demande chimique en oxygène totale, le carbone organique total, et
  • l’organe de détermination d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est configuré pour déterminer le ratio d’un mélange en fonction d’un taux de récupération en ammonium, le taux de récupération en ammonium étant déterminé à partir de la détermination d’un flux de migration des ions ammonium par électrodialyse et d’un flux de diffusion des ions au travers du séparateur.
L’invention a également pour objet une installation de traitement biologique d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés pour produire du biogaz et récupérer des ions ammoniums, l’installation comprenant :
  • un digesteur adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie,
  • une source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
  • un dispositif d’extraction d’ions ammonium selon l’invention,
  • au moins un conduit d’amenée du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, du digesteur au dispositif d’extraction d’ions ammonium, et
  • au moins un conduit d’amenée du liquide d’enrichissement en matière biodégradable de la source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable au dispositif d’extraction d’ions ammonium,
L’installation de traitement biologique selon l’invention peut en outre comprendre au moins une des caractéristiques optionnelles suivantes :
  • L’installation de traitement biologique forme une station de traitement d’eaux usées, dans lequel le conduit d’amenée du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, du digesteur au dispositif d’extraction d’ions ammonium est un conduit de retour du digestat en amont de l’installation de traitement biologique, par exemple en amont d’un organe de décantation primaire, et
  • L’installation de traitement biologique forme une station de traitement d’eaux usées, le liquide d’enrichissement en matière biodégradable étant formé par une eau usée, dans lequel la source d’eau usée est par exemple formée par l’eau usée en sortie d’un organe de décantation primaire.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
FIG. 1est une représentation d’une installation de traitement biologique selon l’invention,
FIG. 2est une représentation d’un dispositif d’extraction d’ions ammonium selon l’invention,
FIG. 3est un organigramme d’un procédé d’extraction selon l’invention,
FIG. 4est un organigramme d’un procédé de traitement biologique selon l’invention, et
FIG. 5est un graphe représentatif d’un taux de récupération d’ions ammonium en fonction d’un pourcentage d’eau usée dans un mélange de digestat, ou de fraction liquide de digestat, et d’eau usée.
 Description détaillée
La présente demande de brevet incorpore les définitions suivantes :
  • Par microorganismes électroactifs, on entend des microorganismes capables d’échanger des électrons avec des surfaces solides et conductrices.
  • Par liquide d’enrichissement en matière biodégradable, on entend tout liquide permettant d’augmenter le ratio de matière biodégradable sur la concentration en azote ammoniacal dans un mélange entre ce dernier et le digestat (ou sa fraction liquide). Les exemples ci-dessous portent sur de l’eau usée urbaine utilisée comme source de matière biodégradable. Cependant, tout effluent comprenant de la matière organique carbonée (eau usée agricole, eau usée industrielle, lixiviat, biodéchet ou boue hydrolysée) peut être utilisé en tant que liquide d’enrichissement en matière biodégradable.
  • DBO: Demande biologique en oxygène (quantité de dioxygène nécessaire pour oxyder la totalité des matières organiques (biodégradables) par voie biologique)
  • DBO5 : Demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours
  • DCO ou DCOtot: Demande chimique en oxygène (mesure de la totalité des substances oxydables, qu’elles soient biodégradables ou non). La DCO peut être mesurée selon la norme NFT 90-101-février 2001 ou ISO 6060-1989.
  • gDCO/gN : quantité de demande chimique en oxygène par rapport à la quantité de composés azotés.
La présente invention concerne une installation 2 (FIG. 1) et un procédé 4 (FIG. 4) de traitement biologique d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés, par exemple de la boue de station d’épuration d’eaux usées, afin de produire du biogaz, et en particulier du méthane, tout en récupérant l’azote présent dans l’eau usée afin de le valoriser. Les exemples ci-dessous décrivent une station de traitement d’eaux usées comme installation de traitement d’un intrant, des boues issues du traitement d’eaux usées en tant qu’intrant et de l’eau usée urbaine en tant que liquide d’enrichissement en matière biodégradable. L’eau usée urbaine est intéressante en tant que liquide d’enrichissement en matière biodégradable car elle contient généralement entre 100 et 300 mg DBO5/L et 20 à 85 mgN/L. Ce ratio de DBO5/N est suffisant pour assurer la récupération de l’azote ammoniacal de l’eau usée par un système bioélectrochimique. L’utilisation d’un autre intrant et/ou d’un autre liquide d’enrichissement en matière biodégradable conduira à obtenir des valeurs mesurées (paramètres, ratios, etc.) etc. différentes de l’exemple décrit, du fait du changement de nature de ces derniers, sans pour autant s’écarter de l’invention.
L’intrant traité peut contenir toute matière carbonée adaptée pour des réactions de fermentation, y compris, mais sans s'y limiter, des matières dérivées minières, agricoles, industrielles ou domestiques, y compris des produits vierges ou des déchets provenant de tout processus produisant de la matière carbonée, y compris la fraction organique des déchets municipaux solides et les boues d'épuration.
L’intrant contenant des matières carbonées peut être, sans s'y limiter, une boue produite dans une file de traitement des liquides dans une station d'épuration ou toute autre boue.
Ces boues peuvent être, sans s'y limiter, des boues primaires provenant de l’évacuation d'un processus de clarification primaire, ou des boues biologiques provenant d'un processus biologique secondaire dans le traitement des eaux usées, telles que, sans s'y limiter, des boues activées de déchets, ou une combinaison de boues primaires et de boues biologiques.
Les boues primaires peuvent avoir été préalablement épaissies, par exemple pour atteindre une teneur en matières sèches de 2 à 15 % en masse.
L’intrant utilisé dans la présente invention peut avoir été préalablement soumis à une ou plusieurs sous-étapes choisies parmi une étape d'épaississement, une étape de filtration (« screening »), une étape de déshydratation, une étape de traitement thermique et une étape de dilution.
Cette étape du traitement thermique peut comprendre un processus d'hydrolyse thermique (THP) et/ou un processus de carbonisation hydrothermale (HTC). Dans un procédé THP, les boues, dont la teneur en matière sèche est généralement comprise entre 12 % et 25 % en masse, sont maintenues à une température comprise entre 140 °C et 170 °C, généralement pendant 30 à 60 minutes. Le procédé HTC fonctionne généralement à des températures comprises entre 180 °C et 280 °C pendant une période allant de quelques minutes à plusieurs heures dans une atmosphère non oxydante.
L’intrant utilisé dans la présente invention peut présenter une teneur en matières sèches de 1 à 50 % en masse, de préférence de 1 à 40 % en masse ou de 1 à 35 % en masse, par exemple de 2 à 15 % en masse ou de 15 à 30 % en masse, ou de 17 à 25 % en masse, ou dans tout intervalle défini par deux de ces limites. La teneur en matières sèches peut être déterminée par gravimétrie, en suivant par exemple le protocole proposé dans le rapport suivant : Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater American Public Health Association, Washington, DC (2005).
L’intrant contient également de l'eau. Toute présence d'eau suffisante pour la mise en œuvre de réactions biologiques au sein du digesteur est considérée comme appropriée.
A cet effet, l’invention utilise un dispositif d’extraction d’ions ammonium 8 (FIG. 2) de l’installation de traitement biologique 2 et un procédé d’extraction desdits ions ammonium 6, l’installation de traitement biologique 2 comprenant au moins un digesteur 10 et une unité de traitement bioélectrochimique 12 couplé au digesteur 10, directement ou via un système de séparation de phases et/ou un système d’élimination des impuretés. Notamment, le dispositif d’extraction 8 et le procédé d’extraction 6 permettent de déterminer au moins un paramètre de fonctionnement de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, au moins un paramètre représentatif de la qualité du digestat et au moins un paramètre représentatif de la qualité d’un eau usée destinée à être mélangée au digestat, et ce avant de déterminer des ratios de digestat et d’eau usée dans un mélange digestat/eau usée.
Installation de traitement biologique
L’installation de traitement biologique 2 comprend :
  • un digesteur 10 adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie, et
  • une unité de traitement bioélectrochimique 12 recevant le digestat, ou une fraction liquide du digestat, cette unité de traitement bioélectrochimique 12 comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur 14 apte à laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel, devant être appliquée (configuration « électrolyseur ») ou présente naturellement (configuration « pile »).
L’unité de traitement bioélectrochimique 12 est notamment adaptée pour traiter le mélange de digestat ou d’une fraction liquide de ce dernier et de l’eau usée. Ainsi, les microorganismes électroactifs sont sélectionnés parmi des microorganismes capables d’oxyder la matière organique biodégradable du digestat ou de sa fraction liquide. Cette sélection peut être une sélection d’une souche pure ajoutée volontairement à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 ou une sélection par un processus biologique depuis une culture microbienne mixte.
Les ions ammoniums séparés lors de l’application ou en présence d’une différence de potentiel peuvent typiquement être extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique, par exemple par un système d’extraction 30. Ce système d’extraction 30 comprend par exemple une conduite reliée à une pompe ou tout autre dispositif permettant le soutirage d’un fluide ou d’un précipité.
Typiquement, l’unité de traitement bioélectrochimique 12 peut comprendre au moins un compartiment de récupération 16 équipé du système d’extraction 30, et des microorganismes électroactifs séparés du compartiment de récupération 16 par le séparateur 14 de sorte que, sous l’application ou la présence d’une différence de potentiel, les ions ammonium contenus dans le digestat ou sa fraction liquide migrent au travers du séparateur 14 vers le compartiment de récupération 16.
Un exemple de réalisation de cette installation est décrit ci-après en référence à laFIG. 1.
Dans l’exemple représentéFIG. 1, l’installation de traitement 2 comprend un digesteur 10, adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie et une unité de traitement bioélectrochimique 12 adapté pour traiter le digestat ou une fraction liquide de ce dernier.
Le digesteur 10 présente typiquement une entrée 10’ par laquelle entre un intrant à traiter (sur laFIG. 1de la boue issue d’un organe de décantation primaire 18 et des boues issues d’un organe de traitement biologique à boues activées 20), une première sortie 10’’ pour évacuer le biogaz produit et une sortie 10’’’ pour évacuer le digestat produit.
Le digesteur 10 peut comprendre un ou plusieurs bioréacteurs montés en parallèle ou en série adaptés pour la mise en œuvre d’une digestion anaérobie en présence des microorganismes adaptés. Il peut s’agir de bioréacteurs à alimentation continue, semi-continue ou discontinue (« batch »). A titre d’exemple, on pourra utiliser un réacteur séquentiel aussi appelé réacteur SBR (Sequential Batch Reactor), un réacteur à cultures mixtes et alimentation continue, un réacteur à culture fixe ou libres, etc.
Le digestat peut ensuite entrer dans une unité de déshydratation 22 afin de séparer le digestat en une fraction solide et une fraction liquide. De manière générale, l’installation 2 peut comprendre un ou plusieurs systèmes optionnels de traitement du digestat, configurés pour séparer la fraction liquide du digestat avant son traitement dans l’unité de traitement bioélectrochimique et/ou pour éliminer des impuretés du digestat avant son entrée dans cette dernière. Le système optionnel de traitement peut ainsi être un système de séparation de phase comprenant typiquement un ou plusieurs décanteurs ou clarificateurs ou filtre. Le système optionnel de traitement peut également être un système d’élimination des impuretés, par exemple par tamisage.
Dans le cas de figure ci-dessus (séparation fraction solide/fraction liquide du digestat), la fraction liquide du digestat (sinon le digestat en sortie de digesteur par la seconde sortie 10’’’ dans un cas de figure sans unité de déshydratation) entre ensuite, via un conduit d’amenée 13 du digestat ou de fraction liquide et une première entrée 12’, dans l’unité de traitement bioélectrochimique 12. Cette dernière comprend également une première sortie 12’’ pour évacuer le digestat traité et une deuxième sortie 12’’’ pour évacuer un effluent enrichi en ions ammonium.
Le conduit d’amenée du digestat 13, ou de la fraction liquide du digestat, du digesteur 10 à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 est avantageusement un conduit de retour du digestat en amont de l’installation de traitement biologique 2, par exemple en amont d’un organe de décantation primaire 18 et en aval d’un organe de prétraitement 19. On parle également de « retour en tête ».
L’unité de traitement bioélectrochimique 12 comprend au moins un séparateur 14 apte à laisser passer des ions ammoniums. Dans l’exemple de laFIG. 2, elle comprend en outre au moins un compartiment de récupération 16 équipé d’un système d’extraction (comprenant par exemple une conduite reliée à une pompe), et des microorganismes électroactifs capables d’oxyder la matière organique biodégradable du mélange digestat ou de sa fraction liquide/eau usée en libérant des électrons et séparés du compartiment de récupération 16 par le séparateur 14 de sorte que, sous l’application ou la présence d’une différence de potentiel, les ions ammonium contenus dans le digestat ou sa fraction liquide migrent au travers du séparateur 14 vers le compartiment de récupération 16. Alternativement à l’exemple de laFIG. 2, il est possible de se passer du compartiment de récupération 16 afin de ne séparer un compartiment anodique 24 et un compartiment cathodique 26 par le séparateur 14, les ions ammonium étant récupérés dans le compartiment cathodique 26.
De manière générale, le compartiment de récupération 16 permet le passage des ions (cations ou anions) entre les compartiments anodique 24 et cathodique 26. Il comprend plusieurs séparateurs 14 comprenant des membranes échangeuse d’ions, un matériau céramique poreux permettant le passage d’ions, ou autre. Lorsqu’il présente deux membranes échangeuses d’ions, il peut en outre comprendre un compartiment intermembranaire 28.
Quel que soit le mode de réalisation, le compartiment de récupération 16 peut comprendre une membrane échangeuse de cations et une membrane échangeuse d’anions séparées l’une de l’autre par le compartiment intermembranaire 28 comprenant le système d’extraction 30 (typiquement des molécules solubles) présentes au sein du compartiment intermembranaire 28. Le compartiment intermembranaire 28 est ainsi apte à recueillir les ions ou molécules produites dans les compartiments anodique et/ou cathodique. Les molécules récupérées au niveau de ce compartiment intermembranaire 28 comprennent par ex. des sels d’ammonium, et, selon la composition du digestat, d’autres sels tels que des sels de phosphate ou autres.
Lorsqu’un tel compartiment intermembranaire 28 est présent, les membranes peuvent être positionnées de sorte que le compartiment anodique 24 est séparé du compartiment cathodique 26 par, en allant du compartiment anodique 24 vers le compartiment cathodique 26, une membrane échangeuse de cations et une membrane échangeuse d’anions. Par exemple, il est alors possible de récupérer des acides carboxyliques synthétisés au niveau du compartiment cathodique, ainsi que des cations (e.g. NH4 +) du compartiment anodique.
L’unité de traitement bioélectrochimique 12 comprend donc typiquement au moins un compartiment anodique 24 couplé au digesteur 10 de manière recevoir le digestat ou une fraction liquide de celui-ci et dans lequel se trouvent des microorganismes électroactifs capables d’oxyder la matière organique du digestat et de sa fraction liquide, au moins un compartiment cathodique 26, au moins un système d’extraction 30 des ions ammoniums, et optionnellement au moins un compartiment intermédiaire (par exemple le compartiment de récupération 16), ces différents compartiments étant séparés par des séparateurs 14. En outre, de manière usuelle, il comprend typiquement au moins une électrode 32 dans chacun des compartiments anodiques 24 et cathodiques 26 ainsi que, et s’ils sont nécessaires, des moyens d’application 34 d’une différence de potentiel entre les anodes et cathodes.
L’unité de traitement bioélectrochimique 12 comprend en outre une seconde entrée 12’’’’ reliée à un conduit d’amenée d’eau usée 15 et permettant l’entrée d’eau usée dans le but d’alimenter l’unité de traitement bioélectrochimique 12 avec une source comprenant de la matière biodégradable afin d’enrichir le digestat, ou sa fraction liquide, riche en ions ammonium mais plus pauvre en matière carbonée biodégradable, afin d’alimenter les microorganismes électroactifs en matière biodégradable. Dans l’exemple de laFIG. 1, la source d’eau usée est une eau usée ayant subi un prétraitement et une décantation primaire. Cette source pourrait être différente, dès lors qu’elle permet l’apport d’une eau usée riche en matière biodégradable.
Quel que soit le mode de réalisation, l’unité de traitement bioélectrochimique 12 peut comprendre au moins un réacteur bioélectrochimique - notamment un réacteur d’électrolyse ou d’électrosynthèse microbienne.
On pourra utiliser un réacteur dont seul le compartiment anodique comprend des microorganismes électroactifs, notamment dans une configuration bio-anode/cathode abiotique, pour coupler le traitement de matière organique du digestat dans le compartiment anodique (par oxydation bioélectrochimique de la DCO), soit avec la production d’H2à partir d’H2O au niveau du compartiment cathodique dans le cas d’un procédé d’électrolyse microbienne, soit avec une réduction d’O2au niveau du compartiment cathodique pour une pile microbienne.
Alternativement, on pourra utiliser un réacteur dont les compartiments anodiques et cathodiques contiennent des microorganismes électroactifs. En fonctionnant comme un électrolyseur microbien, ce type de réacteur peut être utilisé dans les procédés de bio-électrosynthèse couplant un traitement du digestat dans le compartiment anodique et la synthèse de molécules carbonées dans le compartiment cathodique. En fonctionnant comme une pile microbienne, ce type de réacteur peut être utilisé pour coupler un traitement du digestat dans le compartiment anodique avec un traitement de dénitrification dans le compartiment cathodique d’un effluent en contenant.
Dans un mode de réalisation, l’unité de traitement bioélectrochimique 12 peut ainsi être utilisée comme pile à combustible microbienne pour fabriquer du courant électrique. Dans un autre mode de réalisation, l’unité de traitement bioélectrochimique 12 peut être utilisée comme un système d’électrolyse ou un système d’électrosynthèse microbienne. Elle peut alors être utilisée pour fabriquer du dihydrogène (H2) ou des molécules chimiques d’intérêt (méthane, acides organiques, alcool…). Lorsque du méthane est produit, la quantité totale de méthane produite par l’installation selon l’invention peut être augmentée. Dans ce cas, l’au moins un compartiment cathodique comportant des microorganismes électroactifs peut comporter au moins une entrée pour une source de carbone, typiquement injectée sous forme de gaz, tel que du CO2, du biogaz, ou du syngas et/ou introduit sous la forme de carbone minéral, notamment un bicarbonate.
En général, les microorganismes électroactifs sont présents sous forme de biofilm à la surface de l’électrode. Cette dernière peut être plane, en forme de brosse ou encore être sous forme granulaire, en lit fixe ou fluidisé. Des exemples de réacteurs pouvant être utilisés sont décrits dans les documents FR3123347A1 et WO2020/053529A1.
L’unité de traitement bioélectrochimique 12 pourra comprendre une structure de type multistack, avec une succession (horizontale) d’un compartiment anodique 24, un premier compartiment de récupération 16, un compartiment cathodique 26, un deuxième compartiment de récupération 16, etc., étant entendu que les deux extrémités de cette succession sont des compartiments anodiques ou cathodiques.
L’installation de traitement biologique 2 selon l’invention peut en outre comprendre un ou plusieurs systèmes de traitement de l’effluent riche en ions ammonium sortant de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, permettant notamment de séparer et purifier l’azote contenu dans l’effluent. Ce système peut comprendre une ou plusieurs ou colonnes adaptées pour réaliser un stripage de l’azote suivi d’une absorption, ou encore un ou plusieurs réacteurs adaptés pour précipiter les ions ammonium sous forme de struvite.
Selon l’invention, l’installation 2 comprend un système de détermination de paramètres de fonctionnement configuré pour mettre en œuvre le procédé d’extraction 6 selon l’invention et comprenant des organes de détermination de différents paramètres et des organes d’applications de tels paramètres à l’unité de traitement bioélectrochimique 12, voire au digesteur 10.
Ce système de détermination est décrit en détail ci-après. Il comprend typiquement un ou plusieurs processeurs, par exemple des microprocesseurs ou microcontrôleurs. Le ou les processeurs peuvent avoir des moyens de stockage qui peuvent être une mémoire vive (RAM), une mémoire morte programmable effaçable électriquement (EEPROM), une mémoire flash, une mémoire externe ou autre. Ces moyens de stockage peuvent, entre autres, stocker des données reçues, un modèle de contrôle et un ou plusieurs programmes informatiques. Le système de détermination comprend également des moyens de communication, optionnellement bidirectionnels, ente le système de détermination et/ou avec des capteurs et/ou moyens de mesure et/ou de détermination.
Le système de détermination peut comprendre, en outre, typiquement des moyens de réglage des paramètres de fonctionnement de l’installation, par exemple du digesteur 10, par exemple un capteur de débit des flux entrant et sortant du digesteur permettant de mesurer et contrôler le flux de digestat.
Procédé et dispositif d ’extraction de s ions ammonium
Tel que représenté schématiquement les figures 2 et 3, le procédé d’extraction 6 et le dispositif d’extraction 8 comprennent :
  • Au moins un organe d’acquisition 40 d’une valeur d’au moins un, de préférence au moins deux, paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 à séparer les ions ammonium, d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat, ou de sa fraction liquide, amené à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 et représentatif d’une quantité d’ions ammonium relativement à une quantité totale de cations et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou sa fraction liquide, et d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif de la qualité de l’eau usée amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique 12, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans l’eau usée. Le procédé d’extraction 6 comprend quant à lui une étape d’acquisition 42 des paramètres susmentionnés.
  • au moins un organe de détermination 44 d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et d’eau usée, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique 12, et des valeurs reçues par l’organe d’acquisition 40. Le procédé d’extraction 6 comprend quant à lui une étape de détermination 46 de la valeur susmentionnée.
  • au moins un organe de détermination 48 d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et d’eau usée. Le procédé d’extraction 6 comprend quant à lui une étape de détermination 50 du ratio susmentionné.
  • au moins un organe de contrôle 52 de la quantité de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée à amener à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 configuré pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée déterminé par l’organe de détermination 48 du ratio de mélange digestat (ou fraction liquide du digestat)/eau usée. Le procédé d’extraction 6 comprend quant à lui une étape de mélange 54 de digestat, ou de fraction liquide du digestat, et d’eau usée pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée.
L’organe d’acquisition 40 (et l’étape d’acquisition 42) sert à acquérir, par mesure, modélisation ou empiriquement, les valeurs d’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 à séparer les ions ammonium et d’au moins un paramètre de qualité du digestat ou de sa fraction liquide.
L’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 à séparer les ions ammonium peut notamment comprendre au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’au moins un séparateur 14 à laisser passer les ions ammonium, et un paramètre représentatif d’un gradient de concentration des ions ammonium de part et d’autre de l’au moins un séparateur 14.
Le paramètre représentatif de la capacité de l’au moins un séparateur 14 à laisser passer les ions ammonium dépend typiquement des propriétés intrinsèques du séparateur 14. Il est notamment typiquement lié au coefficient de diffusion du séparateur 14 et à son épaisseur. La valeur de ce paramètre peut être déterminée, notamment calculée, à partir de valeurs de coefficient de diffusion et des dimensions du séparateur 14, ou bien être estimée empiriquement ou au moyen d’un modèle, par exemple basé sur la loi de Fick. Lorsqu’il est estimé, il pourra par exemple s’agir d’un paramètre de perte exprimé en pourcentage et représentant un taux d’ions ammoniums qui peut traverser le séparateur.
Le paramètre représentatif d’un gradient de concentration des ions ammonium de part et d’autre de l’au moins un séparateur 14 apte à laisser passer des ions ammoniums lors de l’application ou la présence d’une différence de potentiel dépend des flux entrant et sortant de l’unité de traitement bioélectrochimique 12. La valeur de ce paramètre peut ainsi être estimée à partir d’un modèle ou empiriquement, ou bien déterminée, notamment par calcul, par exemple en fonction d’un taux d’extraction des ions ammoniums (ou de l’effluent enrichi en ions ammonium) hors de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, du temps de séjour du mélange digestat (ou de sa fraction liquide)/eau usée à l’intérieur de l’unité de traitement bioélectrochimique 12.
L’au moins un paramètre de qualité du digestat ou de sa fraction liquide est un paramètre représentatif d’une quantité d’ions ammoniums relativement à une quantité totale de cations. La valeur de ce paramètre pourra être estimée, notamment au moyen d’un modèle ou empiriquement, ou mesurée en fonction de la concentration du digestat ou de sa fraction liquide en ions ammonium, et de sa conductivité ou de sa concentration totale en cations. A titre d’exemple, on pourra utiliser comme paramètre le ratio de sa concentration en ions ammonium sur sa conductivité ou le ratio de sa concentration en ions ammonium sur sa concentration totale en cations, mesuré par exemple par chromatographie ionique. Lorsqu’il est estimé, ce paramètre peut être un coefficient de sécurité tenant compte de la non-spécificité de la migration ionique au sein du système dont la valeur est par exemple comprise entre 0 et 1, notamment entre 0,2 et 1.
L’au moins un paramètre représentatif de la qualité de l’eau usée amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique 12, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans l’eau usée peut être choisi parmi au moins un des paramètres suivants : la demande biologique en oxygène de l’eau usée amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique 12, la demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours, la demande chimique en oxygène soluble, la demande chimique en oxygène totale, le carbone organique total. La demande chimique en oxygène totale varie généralement entre 200 et 600 mg/L dans la cadre d'eaux usées urbaines.
Ainsi, l’étape d’acquisition 42 peut comprendre une étape de réception de valeurs de paramètres, et optionnellement une étape de détermination de valeurs de paramètres.
Lors de l’étape d’acquisition, on pourra également acquérir d’autres paramètres de fonctionnement de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, tels qu’une différence de potentiel appliquée ou applicable à l’unité de traitement bioélectrochimique 12, et/ou le temps de séjour du mélange digestat (ou de sa fraction liquide)/eau usée dans l’unité de traitement bioélectrochimique 12, et/ou le débit d’effluent enrichi en ions ammonium extrait de l’unité de traitement bioélectrochimique 12. Il est alors possible de réaliser cette détermination en fonction d’une unité particulière de traitement bioélectrochimique que l’on souhaite utiliser, et notamment de ses dimensions et des plages de paramètres de fonctionnement utilisées pour cette unité en particulier. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de contrôler les paramètres de fonctionnement de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 pour permettre la récupération souhaitée de la quantité d’ions ammonium lors de l’étape de traitement bioélectrochimique, car le ratio déterminé lors de cette étape est applicable aux différentes conditions de fonctionnement possible du système particulier de traitement bioélectrochimique.
Lors de l’étape d’acquisition 42, on pourra également optionnellement acquérir d’autres paramètres de qualité du digestat ou de sa fraction liquide, tels que sa température et la fraction de substrat de méthanisation non hydrolysé. La température aura un effet direct sur les cinétiques microbiennes du biofilm anodique tandis que la fraction de substrat de méthanisation non hydrolysé correspond à un potentiel substrat biodégradable pour l’unité de traitement bioélectrochimique 12.
L’organe d’acquisition 40 peut comprendre un ou plusieurs processeurs et mémoires, notamment pour stocker des valeurs et des modèles, et/ou des moyens de communication, notamment avec des capteurs et/ou moyens de mesure et/ou de détermination de valeurs des paramètres susmentionnés.
L’organe de détermination 44 d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange (et l’étape 46 associée) permet de déterminer la valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et d’eau usée, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique 12, et des valeurs reçues par l’organe d’acquisition 40. Il s’agit lors de l’étape de détermination d’une valeur d’un ratio 46 de déterminer la quantité de matière biodégradable que les microorganismes de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 doivent dégrader pour libérer suffisamment d’électrons afin d’assurer le passage d’une quantité cible d’ions ammonium de l’autre côté du séparateur. Cette quantité de matière biodégradable peut par exemple être estimée par bilan matière ou bien déterminée par un modèle cinétique tenant compte des phénomènes de migration ionique et de diffusion au sein de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, ces méthodes étant bien connues en bioélectrochimie. De cette quantité demandée peut découler le ratio caractéristique du mélange digestat (ou sa fraction liquide)/eau usée afin d’obtenir un mélange ayant une concentration optimale en matière biodégradable dans ledit mélange.
Ce ratio peut par exemple être choisi parmi le ratio C/N de la quantité de carbone sur la quantité d’azote, le ratio DCO/ NH4 +de la demande chimique en oxygène sur la concentration en ions ammoniums, le ratio AGV/ NH4 +d’une concentration en acides gras volatils sur la concentration en ions ammonium et le ratio DBO5/ NH4 +de la demande biologique en oxygène à 5 jours sur la concentration en ions ammonium. Les concentrations en AGVs et NH4 +peuvent être déterminées par des titrages acido-basiques classiques.
A titre d’exemple, le ratio DCO/ NH4 +peut être de 0,25 à 10 gDCO/gN.
Le rendement cible en ions ammonium extraits ou la concentration cible en ions ammoniums séparés peuvent être déterminés en fonction de la qualité d’effluent enrichi en ions ammonium recherchée et/ou en fonction de la qualité recherchée pour le digestat, ou sa fraction liquide, et l’eau usée, par exemple si l’on souhaite que la teneur en azote soit inférieure à un seuil.
Le rendement cible en ions ammonium extraits ou la concentration cible en ions ammoniums séparés peuvent aussi être déterminés en fonction d’un traitement ultérieur d’un effluent contenant les ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique 12, et notamment d’un traitement tel qu’une précipitation de struvite, ou un stripage. L’homme de l’art saura déterminer ces seuils en fonction de la technologie employée.
L’étape de détermination 46 d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange peut être mise en œuvre par l’organe de détermination 44 de cette valeur adapté pour déterminer la valeur d’un ratio caractéristique du mélange susmentionné. Cet organe peut optionnellement être également adapté, notamment programmé, pour mettre en œuvre les différents modes de réalisation de l’étape de détermination 46 d’une valeur d’un ratio caractéristique du mélange. Il peut comprendre un ou plusieurs processeurs et une ou plusieurs mémoires pour stocker les valeurs déterminées, et optionnellement des modèles.
L’organe de détermination 48 d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et d’eau usée (et l’étape 50 associée) permet de déterminer une valeur d’un mélange permettant d’obtenir le la valeur caractéristique du ratio déterminé auparavant.
Le tableau ci-dessous représente un exemple de différents paramètres de qualité d’une fraction liquide de digestat (destiné à un retour en tête dans cet exemple) et d’eau usée (en sortie de décanteur primaire) :
Deux mélanges ont été effectués à partir de ces deux liquides :
  • Un premier ratio égal à 3,17 DBO5/NH4 +-N obtenu à partir d’un mélange de 90% d’eau usée et de 10% de fraction liquide de digestat (mélange 90/10).
  • Un second ratio égal à 3,01 gO2gN-1obtenu à partir d’un mélange de 95% d’eau usée et de 5% de fraction liquide de digestat (mélange 95/5).
Le tableau ci-dessous illustrent le taux d’abattement de la DCO et celui de récupération de NH4 +au niveau de l’unité de traitement bioélectrochimique 12 pour les eaux usées seules, pour la fraction liquide du digestat seule, pour le mélange 90/10 et pour le mélange 95/5. Les expériences ont été menées en batch. Compte tenu des dimensions des dimensions du procédé selon cet exemple, une récupération naturelle de 30% des ions ammonium par phénomène de diffusion est atteinte.
On observe une amélioration du taux d’abattement de la DCO des deux mélanges correspondant à un doublement de ce taux par rapport à la fraction liquide de digestat seule. Concernant le taux de récupération de NH4 +, ce dernier est légèrement amélioré pour le mélange 95/5 et significativement amélioré pour le mélange 90/10.
Avantageusement, l’organe de détermination 48 d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et d’eau usée en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et d’eau usée est configuré pour déterminer le ratio d’un mélange en fonction d’un taux de récupération en ammonium, le taux de récupération en ammonium étant déterminé à partir de la détermination d’un flux de migration des ions ammonium par électrodialyse et d’un flux de diffusion des ions au travers du séparateur.
Cela est illustré à laFIG. 5. Cet exemple permet de déterminer le ratio optimal pour un mélange d’eaux usées/digestat (ou fraction liquide du digestat) permettant de maximiser la récupération d’ammonium par électrodialyse dans le cadre d’un procédé bioélectrochimique.
Pour calculer ce taux de récupération du NH4 +, il est nécessaire de déterminer trois flux :
  • Le flux de migration de NH4 +par électrodialyse, directement lié à l’intensité du courant et donc à la quantité de DBO abattue par les microorganismes électroactifs.
  • Le flux de diffusion entre le compartiment de récupération 16 et le compartiment anodique 24. Il est donc calculable en prenant en compte la différence de concentration en NH4 +entre les deux compartiments ainsi que des caractéristiques de la membrane.
  • Le flux de migration apparent correspondant à la somme des flux de migration et de diffusion, qui correspond donc à la variation de concentration en NH4 +dans le compartiment de récupération 16 dans le temps.
Selon le ratio du mélange entre eaux usées / digestat (ou fraction liquide), il faut tout d’abord déterminer ses caractéristiques (DBO, NH4 +, nombre d’ions). Ses caractéristiques dépendent donc de celles des eaux usées et du digestat.
Dans l’exemple de laFIG. 5, l’abattement de la DBO est fixé à 90%. Dans un premier temps, le flux d’abattement de la DBO est calculé en prenant en compte le flux d’alimentation en DBO et son abattement. Il est ensuite possible de convertir ce flux d’abattement en intensité du courant. En effet, lorsqu’une mole de DBO est oxydée, quatre moles d’électrons sont transférées dans le circuit électrique. Pour finir, lorsqu’un électron est transféré du compartiment anodique au compartiment cathodique, une charge positive migre du compartiment anodique vers le compartiment cathodique. En prenant en compte le nombre d’ions de l’ammonium (qui est une caractéristique du mélange), il est possible de ramener l’intensité du courant à un flux de migration d’ammonium.
Pour déterminer le flux de diffusion, il faut d’abord déterminer les caractéristiques de la membrane comme décrit ci-dessus. Son épaisseur est connue, tandis que son coefficient de diffusion doit être estimé en modélisant une loi de Fick. Dans le présent exemple, la concentration dans le compartiment de récupération 16 est fixée à 1,5 gN/L. En prenant en compte la différence de concentrations entre les deux compartiments et les caractéristiques de la membrane, le flux de diffusion peut être estimé.
En ce qui concerne le calcul du taux de récupération de l’ammonium, il faut d’abord estimer le flux de migration apparent en additionnant les flux de diffusion et de migration. En prenant en compte le flux d’alimentation en ammonium et ce flux de récupération, il est possible de calculer le taux de récupération du NH4 +.
Dans l’exemple, le taux de récupération de l’ammonium a été calculé pour différents ratios entre eaux usées et en digestat (le taux d’abattement de la DBO a été fixé à 90%). Un optimum de récupération de l’ammonium est observé pour un ratio 90/10 (90% d’eau usée et 10% de digestat (ou de sa fraction liquide), la courbe 49 du taux de récupération de l’ammonium atteignant un pic égal à un taux de récupération de 80% aux environ de ce ratio 90/10. Il est notable qu’il est également possible de fixer le taux de récupération de l’ammonium et de calculer le taux d’abattement de la DBO en fonction du ratio eaux usées / digestat (ou sa fraction liquide).
Avantageusement, le ratio du mélange eau usée/digestat (fraction liquide du digestat) est, dans le cas d’un digestat issu de boues de station d’épuration mélangé à des eaux usées urbaines, avantageusement compris entre 50/50 et 95/5.
Procédé de traitement biologique
Le procédé de traitement biologique 4 permet de produire du biogaz (lors de la digestion anaérobie), et en particulier du méthane, tout en récupérant l’azote, lors du traitement bioélectrochimique du mélange digestat (ou sa fraction liquide)/eau usée, afin de le valoriser. Le procédé de traitement biologique selon l’invention peut être mis en œuvre au moyen d’une installation de traitement biologique 2 précédemment décrit.
Le procédé 4 et l’installation 2 de traitement biologique selon l’invention sont adaptés pour traiter de la boue de station d’épuration des eaux usées contenant de la matière carbonée et des composés azotés. La matière carbonée peut se présenter sous forme dissoute, colloïdale ou particulaire.
L’étape de digestion anaérobie 38 du procédé de traitement biologique 4 peut être mise en œuvre dans un digesteur tel que précédemment décrit. Cette étape de digestion anaérobie 38 peut être mise en œuvre dans des conditions de température mésophiles ou thermophiles. Le temps de séjour hydraulique et le temps de séjour des solides peuvent être de 5 à 100 jours.
Le digestat produit lors de l’étape de digestion anaérobie 38 peut être envoyé directement à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 pour réaliser le procédé d’extraction d’ions ammonium selon l’invention ou bien peut être envoyé à une étape de séparation liquide-solide du digestat permettant de séparer le digestat en une fraction solide et une fraction liquide, comme par exemple une étape de centrifugation ou encore de filtration. La fraction liquide du digestat est alors envoyée à l’unité de traitement bioélectrochimique 12 décrite ci-dessus.
Dans un mode de réalisation, le digestat, ou sa fraction liquide, peut notamment présenter un ratio DCO/Azote ammoniacal de 0,25 à 10 gDCO/gN. En particulier, ce ratio peut correspondre au ratio de la concentration en AGVs sur la concentration en ions ammoniums (AGV/Azote ammoniacal).
Alternativement ou en combinaison, le digestat, ou sa fraction liquide, peut ainsi présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • une concentration en azote ammoniacal total de 0,5 à 7gN/L ou de 0,5 à 5gN/L, ou dans tout intervalle défini par deux de ces limites,
  • une conductivité de 10 à 150mS/cm ou de 10 à 75 mS/cm ou dans tout intervalle défini par deux de ces limites,
  • un ratio molaire de la concentration en ions ammonium sur la concentration totale en cations (NH4 +/cations totaux) de 0,25 à 1 mol/mol ou de 0,75 à 1 mol/mol ou dans tout intervalle défini par deux de ces limites.
La concentration en azote ammoniacal total peut être mesurée par méthode colorimétrique, par dosage acido-basique, ou par chromatographie ionique. La conductivité peut être mesurée selon la norme NF EN 27888-janvier 1994 ou ISO 7888 :1985. De telles caractéristiques du digestat ou de sa fraction liquide peut permettre d’améliorer le fonctionnement de l’unité de traitement bioélectrochimique 12.
L’étape de traitement bioélectrochimique 56 est mise en œuvre dans une unité de traitement bioélectrochimique 12, notamment du type précédemment décrit en référence à l’installation de traitement biologique 2.
Dans un mode de réalisation, l’étape de traitement bioélectrochimique 56 peut comprendre la mise en œuvre d’une réaction choisie parmi une réaction de réduction du dioxygène ou de nitrate et une réaction de production de dihydrogène ou de molécules organiques d’intérêt choisies parmi les acides organiques, les alcools, le méthane. Ceci peut permettre d’améliorer la valorisation du digestat ou de sa fraction liquide traités. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, l’étape de traitement bioélectrochimique 56 comprend une étape de production de méthane. L’unité de traitement bioélectrochimique 12 peut ainsi fonctionner comme une pile microbienne ou un électrolyseur.
Quel que soit le mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut en outre comprendre au moins une étape de récupération des ions ammonium 58 contenu dans ledit effluent enrichi en ions ammonium choisie parmi une étape de stripage suivie d’une étape d’absorption de l’azote, une étape de précipitation sous forme de struvite (NH4MgPO4• 6 H2O) des ions ammonium.
L’étape de stripage peut être typiquement réalisée dans au moins une colonne dans laquelle l’effluent circule à contrecourant d’un gaz qui peut être de l’air, ou dans une colonne contenant une membrane (stripping membranaire). Cette étape de stripage permet de déplacer l’équilibre chimique de l’effluent vers la phase gazeuse (NH3gaz). L’étape d’adsorption peut être typiquement réalisée dans au moins une colonne dans laquelle la phase gazeuse sortant de l’étape de stripage est mise en contact avec un absorbant, par exemple une solution d’acide sulfurique. La succession du stripping et absorption permet de concentrer l’azote, par exemple sous forme de sulfate d’ammonium dans le cas d’un lavage à l’acide sulfurique.
L’étape de précipitation des ions ammonium sous forme de struvite peut être typiquement réalisée dans un réacteur dans lequel on ajoute généralement à l’effluent une source de magnésium et/ou de phosphore, par exemple tel que décrit dans la publication : Desmidt E, Ghyselbrecht K, Zhang Y, et al. Global phosphorus scarcity and full-scale p-recovery techniques: a review. Crit Rev Env Sci Technol. (2015).
Liste de références
2 : installation de traitement biologique
4 : procédé de traitement biologique
6 : procédé d’extraction d’ions ammonium
8 : dispositif d’extraction d’ions ammonium
10 : digesteur
10’ : entrée du digesteur
10’’ : première sortie du digesteur
10’’’ : seconde sortie du digesteur
12 : unité de traitement bioélectrochimique
12’ : première entrée de l’unité de traitement bioélectrochimique
12’’ : première sortie de l’unité de traitement bioélectrochimique
12’’’ : seconde sortie de l’unité de traitement bioélectrochimique
12’’’’ : seconde entrée de l’unité de traitement bioélectrochimique
13 : conduit d’amenée du digestat
14 : séparateurs
15 : conduit d’amenée de l’eau usée
16 : compartiment de récupération
18 : organe décantation primaire
20 : organe de traitement à boues activées
22 : unité de déshydratation
24 : compartiment anodique
26 : compartiment cathodique
28 : compartiment intermembranaire
30 : système d’extraction des ions ammonium
32 : électrodes
34 : moyens d’application d’une différence de potentiel
38 : étape de digestion anaérobie
40 : organe d’acquisition
42 : étape d’acquisition
44 : organe de détermination d’une valeur d’un ratio
46 : étape de détermination d’une valeur d’un ratio
48 : organe de détermination d’un ratio de mélange
49 : courbe du taux de récupération d’ammonium
50 : étape de détermination d’un ratio de mélange
52 : organe de contrôle
54 : étape de mélange
56 : étape de traitement bioélectrochimique
58 : étape de récupération des ions ammonium

Claims (14)

  1. Procédé d’extraction d’ions ammonium (6) d’un digestat ou d’une fraction d’un digestat, issu d’un traitement d’un intrant comprenant de la matière carbonée et des composés azotés par digestion anaérobie, par l’intermédiaire d’un dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) comprenant une unité de traitement bioélectrochimique (12) configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique (12) comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur apte à laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel,
    le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • une étape d’acquisition (42) d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique (12) à séparer les ions ammonium, d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat ou de sa fraction liquide amené à l’unité de traitement bioélectrochimique (12), représentatif d’une quantité d’ions ammoniums relativement à une quantité totale de cations et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou dans sa fraction liquide, et d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans le liquide d’enrichissement en matière biodégradable amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique (12),
    • une étape de détermination (46) d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique (12) ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique (12), et des valeurs déterminées lors de l’étape d’acquisition (42),
    • une étape de détermination (50) d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
    • une étape de mélange (54) de digestat, ou de fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, et
    • une étape de traitement bioélectrochimique (56) du mélange de digestat, ou de fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable.
  2. Procédé d’extraction (6) selon la revendication précédente, dans lequel la valeur d’un ratio caractéristique du mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est comprise entre 0,25 e10 gDCO/gN.
  3. Procédé d’extraction (6) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’étape d’acquisition (42) d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable comprend l’acquisition d’au moins un des paramètres suivants : la demande biologique en oxygène, la demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours, la demande chimique en oxygène soluble, la demande chimique en oxygène totale, le carbone organique total.
  4. Procédé d’extraction (6) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape de détermination (50) d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable comprend une détermination du ratio du mélange en fonction d’un taux de récupération en ammonium, le taux de récupération en ammonium étant déterminé à partir de la détermination d’un flux de migration des ions ammonium par électrodialyse et d’un flux de diffusion des ions au travers du séparateur.
  5. Procédé d’extraction (6) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape de traitement bioélectrochimique (56) comprend en outre la mise en œuvre d’une réaction choisie parmi une réaction de réduction du dioxygène ou de nitrate et une réaction de production de dihydrogène ou de molécules organiques d’intérêt choisies parmi les acides organiques, les alcools, le méthane.
  6. Procédé de traitement biologique (4) d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés pour produire du biogaz et récupérer des ions ammoniums par l’intermédiaire d’une installation de traitement biologique comprenant :
    • un digesteur (10) adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie,
    • une source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
    • un dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) comprenant une unité de traitement bioélectrochimique (12) configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique (12) comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur apte à laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel,
    le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • une étape de digestion anaérobie (38) produisant du biogaz et le digestat, et
    • le procédé d’extraction d’ions ammonium selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
  7. Procédé de traitement biologique (4) selon la revendication 6, comprenant en outre au moins une étape de récupération des ions ammonium (58) contenu dans un effluent enrichi en ions ammonium en sortie d’unité de traitement bioélectrochimique, l’étape de récupération des ions ammonium (58) étant choisie parmi une étape de stripage suivie d’une étape d’absorption de l’azote, une étape de précipitation sous forme de struvite des ions ammonium.
  8. Dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) d’un digestat ou d’une fraction liquide d’un digestat, issu d’un traitement d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés, et obtenu par digestion anaérobie, le dispositif comprenant :
    • Au moins une unité de traitement bioélectrochimique (12) configurée pour recevoir un premier volume de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et un second volume d’un liquide d’enrichissement en matière biodégradable, l’unité de traitement bioélectrochimique (12) comprenant des microorganismes électroactifs et au moins un séparateur (14) configuré pour laisser passer des ions ammoniums en présence d’une différence de potentiel,
    • au moins un organe d’acquisition (40) d’une valeur d’au moins un paramètre représentatif de la capacité de l’unité de traitement bioélectrochimique (12) à séparer les ions ammonium, d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du digestat, ou de sa fraction liquide, amené à l’unité de traitement bioélectrochimique (12), représentatif d’une quantité d’ions ammoniums relativement à une quantité totale de cations et d’une concentration en ions ammonium dans le digestat ou dans sa fraction liquide, et d’une valeur d’au moins un paramètre de qualité du liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une concentration en matière biodégradable dans l’eau usée amenée à l’unité de traitement bioélectrochimique (12),
    • au moins un organe de détermination (44) d’une valeur d’un ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable, représentatif d’une quantité de matière organique biodégradable relativement à une quantité d’ions ammoniums, en fonction d’un rendement cible en ions ammonium extraits de l’unité de traitement bioélectrochimique (12) ou d’une concentration cible en ions ammonium séparés présents dans l’unité de traitement bioélectrochimique (12), et des valeurs reçues par l’organe d’acquisition (40),
    • au moins un organe de détermination (48) d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
    • au moins un organe de contrôle (52) de la quantité de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable à amener à l’unité de traitement bioélectrochimique (12) et configuré pour obtenir le ratio du mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable.
  9. Dispositif d’extraction (8) selon la revendication 8, dans lequel la valeur d’un ratio caractéristique du mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est comprise entre 0,25 et 10 gDCO/gN .
  10. Dispositif d’extraction (8) selon l’une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel le paramètre représentatif de la concentration en matière biodégradable dans le liquide d’enrichissement en matière biodégradable est choisi parmi au moins un des paramètres suivants : la demande biologique en oxygène, la demande biologique en oxygène mesurée au bout de 5 jours, la demande chimique en oxygène soluble, la demande chimique en oxygène totale, le carbone organique total.
  11. Dispositif d’extraction (8) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel l’organe de détermination (48) d’un ratio d’un mélange de digestat, ou d’une fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable en fonction de la valeur du ratio caractéristique d’un mélange du digestat, ou de la fraction liquide du digestat, et de liquide d’enrichissement en matière biodégradable est configuré pour déterminer le ratio d’un mélange en fonction d’un taux de récupération en ammonium, le taux de récupération en ammonium étant déterminé à partir de la détermination d’un flux de migration des ions ammonium par électrodialyse et d’un flux de diffusion des ions au travers du séparateur (14).
  12. Installation de traitement biologique (2) d’un intrant contenant de la matière carbonée et des composés azotés pour produire du biogaz et récupérer des ions ammoniums, l’installation comprenant :
    • un digesteur (10) adapté pour produire du biogaz et un digestat par digestion anaérobie,
    • une source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable,
    • un dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11,
    • au moins un conduit d’amenée du digestat (13), ou de la fraction liquide du digestat, du digesteur (10) au dispositif d’extraction d’ions ammonium (8), et
    • au moins un conduit d’amenée du liquide d’enrichissement en matière biodégradable (15) de la source de liquide d’enrichissement en matière biodégradable au dispositif d’extraction d’ions ammonium (8).
  13. Installation de traitement biologique (2) selon la revendication 12, formant une station de traitement d’eaux usées, dans lequel le conduit d’amenée du digestat (13), ou de la fraction liquide du digestat, du digesteur (10) au dispositif d’extraction d’ions ammonium (8) est un conduit de retour du digestat en amont de l’installation de traitement biologique (2), par exemple en amont d’un organe de décantation primaire (18).
  14. Installation de traitement biologique (2) selon l’une quelconque des revendications 12 ou 13, formant une station de traitement d’eaux usées, le liquide d’enrichissement en matière biodégradable étant formé par une eau usée, dans lequel la source d’eau usée est par exemple formée par l’eau usée en sortie d’un organe de décantation primaire (18).
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