Espèces intermédiaires du cycle de l’azote et traitements biologiques.

Cas des nitrites et du protoxyde d’azote (IRSTEA / UTC / SIAAP)

Colloque annuel ASTEE – Juin 20161

95ème congrès de l’ASTEE - 31 mai au 3 juin 2016

Ahlem FILALI (ahlem.filali@irstea.fr)

OPTIMISATION DU TRAITEMENT BIOLOGIQUE DE L’AZOTE : VERS UNE REDUCTION DES

INTERMEDIAIRES REACTIONNELS

Issy-les-Moulineaux

1

Intermédiaires réactionnels du cycle N

Contexte

2

NH4+ NO3

- N2

Nitrification autotrophe Dénitrification hétérotrophe

NH2OH NO NO2-

N2O NO

N2O

NO2- NO N2OAMO HAO

Nor NirK

Nor

NARNXR Nir Nor NosHAO

� Maintien de résiduel de N/C/P « application DCE, NQE »

� Réduction des émissions de GES « facteur 4 »

Objectif SIAAP : Prise en compte des intermédiaires réactionnels dans l’optimisation des installations

Espèces intermédiaires du cycle de l’azote et traitements biologiques.

Cas des nitrites et du protoxyde d’azote (IRSTEA / UTC / SIAAP)

Colloque annuel ASTEE – Juin 20162

Mesure des espèces azotées en continu par spectrométrie UV

T. Labergerie1, S. Mottelet1, S. Guérin2, V. Rocher2, A. Pauss1

3

1 2

Contexte & Objectifs

4

Mesure des espèces azotées NO3-/NO2

- en continu par UV

• Contrôle / maîtrise de l’étape de dénitrification devient un enjeu majeur (atteinte NQE, CH3OH)

• Besoin d’outils métrologiques capables de mesurer en ligne les NO3

- et NO2- pour assurer un meilleur contrôle de la qualité

du rejet et permettre la mise en place d’une boucle de régulation intégrant ce paramètre sensible

• Nécessité de développer un outil mathématique approprié et spécifique de traitement des spectres pour discriminer les nitrites des nitrates

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20163

Méthodologie

5

• Analyseur STAC HR (Secomam, Swelia) et sonde Spectro::Lyser (S::CAN)

• Eaux réelles (75 % sortie dénitrification + 25 % entrée dénitrification pour obtenir des concentrations différentes) prélevées sur 45 jours

• Analyse des eaux en parallèle avec les méthodes normées

• Eaux filtrées à 0,45 µm et non filtrées

• Traitement des spectres par PLS (Partial Least Square), validation par « Leave One Out » et facteur de régression optimal déterminé par minimisation de l’erreur

Méthodologie

6

STAR HR

Filtration des échantillonsGamme : 0-7 mgN-/L NO3

-, 0-10 mgN-/L NO2-

Lampe au deutérium, mesure de 190 à 400 nm

Spectro::Lyser

Echantillons bruts ou filtrésGamme : 0-60 mgN-/L NO3

-

Lampe au xénon, mesure de 220 à 400 nm

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20164

Résultats

7

STAR HR

38 échantillons filtrés, de 0 à 7 mgN-/l NO3-, 0 à 2,2 mgN-/L NO2

-

Droites rouges : régression linéaire des points, droites bleues : identité y=x

Résultats

8

Spectro::lyser

100 échantillons filtrés, de 0 à 17 mg/l NO3-, 0 à 2 mg/L NO2

-

Droites rouges : régression linéaire des points, droites bleues : identité y=x

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20165

Résultats

9

Spectro::lyser

61 échantillons non filtrés, de 0 à 17 mg/l NO3-, 0 à 1,8 mg/L NO2

-

Droites rouges : régression linéaire des points, droites bleues : identité y=x

Conclusions

10

• Possibilité d’estimer en ligne les concentrations en nitrate et nitrites dans les eaux réelles par UV, en présence de MES (20-25 mg/L), dans la gamme de la DCE

• Nécessité d’optimiser le traitement PLS des spectres UV pour obtenir une estimation efficace

A noter :

• Pas d’influence notable de la gamme de longueur d’onde, 220 – 400 nm

suffit

• Pas d’influence notable du pas d’échantillonnage spectral, une valeur

tous les 5 nm suffit

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20166

Emissions de N2O des unités de biofiltration de la station Seine Aval

J. Bollon1, A. Filali1, Y. Fayolle1, S. Guérin2, V. Rocher2, S. Gillot1

11

1 2

Contexte & Objectifs

12

Problématique industrielle et environnementale

• Puissant GES destructeur de la couche d’ozone

• Obligation réglementaire d’établir des bilans d’émission de GES et de les réduire (Loi Grenelle II, 11 juillet 2011)

• Utilisation de facteurs d’émission non adaptés pour l’estimation des émissions de N2O

• Aucune donnée d’émission pour lesbiofiltres

Objectifs

Estimer les facteurs d’émission de N2O pour les biofiltres nitrifiants et dénitrifiants

• Evaluation de la variabilité temporelle des émissions : journalière et saisonnière

• Etude du lien entre les paramètres de gestion des procédés et les émissions

- charge traitée- aération- DCO/N- fréquence de lavage,…

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20167

Méthodologie

13

Campagne estivale (Sept.) : Approche procédé

Etude fine d’un filtre donné / 1 semaine (Emissions liquides et gazeuses) Caractérisation des paramètres d’influence

Etage de nitrification (84 filtres)

Batterie (14 filtres)

Filtre

Etage de dénitrification (18 filtres)

Batterie (9 filtres)

Filtre

N2Od

N2Og

Méthanol

N2Og

Méthodologie

14Etage de nitrification (84 filtres)

Batterie (14 filtres)

Filtre

Etage de dénitrification (18 filtres)

Batterie (9 filtres)

Filtre

N2Od

N2Og

Méthanol

Campagne hivernale (Janv.-Fév.) : Approche filière

Suivi simultané de l’étage Nit et Dénit /2 semainesEssais spécifiques (débit d’air, répartition méthanol)

Campagne estivale (Sept.) : Approche procédé

Etude fine d’un filtre donné / 1 semaine (Emissions liquides et gazeuses) Caractérisation des paramètres d’influence

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Colloque annuel ASTEE – Juin 20168

Méthodologie

15

Analyse des facteurs d’influence :

Dispositif de mesure

Gaz Liquide

Microsonde Unisense

Sonde type Clark

CollecteurAnalyseur

IR

Azote pur

+ Echantillons moyens (24H) et échantillons ponctuels

+ Données d’autosurveillance de la station

Instrumentation des filtres en capteurs

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

15/09 17/09 19/09 21/09

Em

issi

on

(k

gN

/h)

Résultats : Nitrification

16

Variabilité des émissions

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

26/1 28/1 30/1 1/2 3/2 5/2 7/2

Eté Hiver

N2O dissous

N2O gazeux

• Forte variabilité journalière (pour un même cycle: max/min = 2)� Mesure en continu sur au minium 1 cycle de filtration

• Variabilité de la répartition gaz/liquide � Importance de la prise en compte des flux de N2Odissous

20%

30% 45% 30%

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Cas des nitrites et du protoxyde d’azote (IRSTEA / UTC / SIAAP)

Colloque annuel ASTEE – Juin 20169

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

15/09 17/09 19/09 21/09

Em

issi

on

(k

gN

/h)

Résultats : Nitrification

17

Variabilité des émissions

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

26/1 28/1 30/1 1/2 3/2 5/2 7/2

Eté Hiver

N2O dissous

N2O gazeux

• Forte variabilité journalière (pour un même cycle: max/min = 2)� Mesure en continu sur au minium 1 cycle de filtration

• Variabilité de la répartition gaz/liquide � Importance de la prise en compte des flux de N2Odissous

• Variabilité saisonnière observée

FE = 2,3% NH4 nitrifié FE = 4,8% NH4 nitrifié

Résultats : Nitrification

18

Paramètres explicatifs

Analyse statistique (régression linéaire multiple)

• [NH4+] influent

• Débit influent• Température• Durée de filtration• [NO3

-] influent

y = 1x

R² = 0.91

-3

-2

-1

0

1

2

3

-3 -2 -1 0 1 2 3

Em

issi

on

s m

esu

rée

s

(kg

N/h

)

Emissions modélisées

(kgN/h)

Analyse procédé • Charges volumiques traitées• Intensité d’aération • Pertes de charges initiales • [NO2

-] effluent

Augmentation des émissions en hiver :

�Augmentation de l’épaisseur du biofilm

� Limitation de la diffusion de l’O2

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Colloque annuel ASTEE – Juin 201610

Résultats : Dénitrification

19

• Variabilité des émissions

• 99% du flux de N2O est contenu dans la phase liquide

• Consommation importante de N2Odissous issu de l’étape amont de nitrification

(> 90% en fonctionnement classique)

• Importance de la régulation du méthanol pour réduire les émissions de N2O

(DBO/N-NO3 > 3)

-50

0

50

100

150

200

250

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

3/2 12:00 3/2 16:48 3/2 21:36 4/2 2:24 4/2 7:12 4/2 12:00 4/2 16:48 4/2 21:36

Pro

du

ctio

n n

ett

e d

e N

2O

(k

gN

/h)

Ra

tio

DB

O/N

en

tra

nt

Analyse de la filière

20

Facteur d’émission

Nitrification Dénitrification

89 %

2,3%

Exemple de la campagne hivernale

1000 kg (~NT/j/filtre)

19,8

Kg N-N2O

0,01 kg

N-N2O

10,9

Kg N-N2O

1,46

kg N-N2O

FE = 2,12 % (N-N2O/NT)

A comparer au facteur GIEC= 0,035 %

A comparer au 3,07 % de la nitrification seule

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Colloque annuel ASTEE – Juin 201611

Analyse de la filière

21

Pertinence des émissions sur bilan CO2

Nitrification Dénitrification

MeOH

562 T

8T

12T

24T

101T

Aération

Pompage

Relevage

Injection

méthanol

N2O gaz

N2O dissous

79,5 %

1,2%

1,7%

14,2%

3,4%

Facteurs de conversion (GIEC, 2013)

Energie : 0.114 kgCO2/kWhMeOH : 0.759 kgCO2/kg MeOHN2O : 265 kgCO2/kg N2O

Perspectives : projet N2Otrack

22

• Etude approfondie des paramètres d’influence sur les émissions de N2O

(Irstea, SIAAP) � Campagnes de mesure sur site

• Discrimination des voies biologiques de production de N2O à l’aide de

l’approche SP basée sur les signatures isotopiques (UPMC – ECOBIO)

• Modélisation du fonctionnement des biofiltres avec intégration des voies de

production de N2O (Irstea – INSA de Toulouse, SIAAP)

� Développement de stratégies de réduction des émissions de N2O

Espèces intermédiaires du cycle de l’azote et traitements biologiques.

Cas des nitrites et du protoxyde d’azote (IRSTEA / UTC / SIAAP)

Colloque annuel ASTEE – Juin 201612

Merci de votre attention

23

BOLLON, J., FILALI, A., FAYOLLE, Y., GUERIN, S., ROCHER, V. & GILLOT, S.

2016. Full-scale post denitrifying biofilters: sinks of dissolved N2O? Science of The Total Environment, 563–564, 320-328.

BOLLON, J., FILALI, A., FAYOLLE, Y., GUERIN, S., ROCHER, V. & GILLOT, S.

2016. N2O emissions from full-scale nitrifying biofilters. Water Research (accepté).

ROCHER, V., LAVERMAN, A.M., Johnny GASPERI, J., AZIMI, S. , GUERIN, S., MOTTELET, S., VILLIERES, T. & André PAUSS, A. 2015. Nitrite accumulation during denitrification depends on the carbon quality and quantity in wastewater treatment with biofilters Environmental Science and Pollution Research, 22 (13), 10179-10188.

N2O

NO2-