DOSSIER TECHNIQUE

STATIONS D’ÉPURATION PROCÉDÉ D’ASSAINISSEMENT

w w w . b i o t o p - s y s t e m . c o m

Le procédé d’assainissement BIOTOP

L’innovation :LA CUVE DE PRETRAITEMENT BIOTOP

UN PROCÉDÉ À CULTURES FIXÉES :LES DISQUES BIOLOGIQUES

S O M M A I R E

A : LE PROCÉDÉ D'ÉPURATION BIOTOP 3

B : DESCRIPTION DU PROCESSUS 4

C : DÉTAIL DU CYCLE DE LA STATION 6A. Collecte, homogénéisation, sédimentation primaire 7B. Oxydation biologique 8C. Sédimentation secondaire 9D. Elimination des pollutions azotées 9E. Elimination des pollutions phosphorées 9F. Stockage des boues 10G. Système électronique de gestion du cycle d'épuration 10

D : LES ATOUTS DE LA STATION BIOTOP 11A. Bassin primaire assurant le dégrillage et dessablage 11B. Variation de population et élasticité de fonctionnement 13C. Insensibilité à la température extérieure 13D. Insensibilité aux hydrocarbures et aux huiles minérales 14E. Une parfaite intégration dans le site 14F. Entretien et rentabilité du procédé 15G. Coût d’exploitation électrique 15H. Garantie de fonctionnement de l’exploitation 15NOTES 16

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Le procédé d’épuration BIOTOP

BIOTOP est un procédé d’épuration deseaux domestiques utilisant le procédéconnu du disque biologique à culture fixée.Cette technique, encore appelée RotatingBiological Contactor (RBC) par les Anglo-saxons, a été mise au point au 19ème siè-cle sur la base des travaux de Weigrandportant sur le pouvoir épurateur desmoulins à eau. Elle a été reprise par lasuite par Hartman et Popel (Université deStuttgart) au début des années 50.Les premières stations d'épuration de cetype ont été commercialisées dès le débutdes années 60.

On compte aujourd'hui plusieurs milliersd'installations dans le monde (Allemagne,Suisse, Royaume-Uni,Autriche, PaysScandinaves, France, USA, Canada...).La majorité de ces installations est destinée à des populations inférieures à 10 000 habitants, néanmoins d'importan-tes unités de traitement (dizaines demilliers d'équivalents habitants) existentaux Etats Unis et au Canada.

L'expérience acquise dans ce type de trai-tement a permis d’adapter le procédé etde le perfectionner par la mise en œuvred'une innovation technologique favorisantle prétraitement de l'effluent domestiqueet assurant la régulation complète du cycled'épuration. Cette innovation est actuelle-ment protégée , elle a été mise au pointpar Monsieur Raymond BRAGONI.L’ingénierie complète est commercialiséepar la société INGENIUM sous le nom de«BIOTOP». Sa mise en œuvre est assuréepar toute entreprise spécialisée dans laconstruction d'ouvrages d'assainissement.

Des résultats d’analyses réalisées par deslaboratoires agréés et indépendantsattestent de l’efficacité du traitement.

Le Conseil Général des Alpes Maritimes,compte tenu de la réussite de l’intégra-tion et de l’excellent rendement épura-toire de la station de la commune deMoulinet, recommande aujourd’hui leprocédé BIOTOP dans son département.

A :

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Description du processus

Figure 1 : RÉACTEUR ÀDISQUES BIOLOGIQUES

B :

La station d’épuration que nous propo-sons, utilise le système épurateur àdisques biologiques (figure 1) et le dispo-sitif BIOTOP (figure 2).

PROJET 6500 éq/hab.

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Le procédé d'épuration à disques biolo-giques crée une ambiance particulière-ment favorable au développement de laflore bactérienne qui détermine la dégra-dation naturelle des substances orga-niques biodégradables contenues dans leseaux de rejet. Cette ambiance est consti-tuée par des disques de conception spé-ciale à demi immergés qui permettentun développement très rapide et efficacede la flore bactérienne.Les disques, entraînés par des motoré-ducteurs, dans leur lente rotation (2 à 3tours par minute), favorisent le contactentre la flore bactérienne et la substanceorganique contenue dans le liquide àépurer. Les micro-organismes, composantla flore bactérienne, transfèrent une

quantité optimale d’oxygène de l’air dansla substance organique. Cette flore bactérienne qui se développe sur ledisque se détache systématiquementau-delà d’une épaisseur de trois à quatre

millimètres. Ces flocons de matière, ainsiamalgamés, donnent cette propriétéextraordinaire de sédimentation rapideen laissant l’eau traitée extrêmementlimpide et épurée à haut niveau.Le cycle d'épuration devient effectif dès le quatrième jour après le premierdémarrage de la station et atteint sonfonctionnement optimal le vingt-cinquièmejour.

Figure 2 :CUVE BIOTOP

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Detail du cycle de la station

Le cycle de traitement de la station BIOTOP comporte les éléments suivants :q Collecte, homogénéisation,sédimentation primaireq Oxydation biologiqueq Sédimentation secondaireq Stockage des boues

C :

Filière de traitement BIOTOP

Collecte, homogénéisation,sédimentation primaire. Oxydation biologique. Sédimentation secondaire. Stockage des boues.

1 3

2

1Cuve BIOTOP 2 Disques biologiques 3Clarificateur 4 Silo ‡ boues

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A. Collecte, homogénéisa-tion, sédimentation primaire.

Dans les procédés traditionnels d'épuration, lepré-traitement a pour objectif de retirer de lafilière de traitement, les matières les plus gros-sières et les éléments susceptibles de gênerles étapes ultérieures.Ces sous-produits sontalors stockés et il devient donc nécessaire deprocéder régulièrement à leur enlèvement.

Le pré-traitement comprend généralementtrois opérations :

1) Le dégrillage qui a pour objectif deretenir à l'entrée de la station d'épurationles déchets volumineux selon différentsprincipes (grilles manuelles, grilles méca-niques, dilacération, le tamisage...)

2) Le dessablage qui a pour but d'extraireles sables présents dans l'effluent brut afind'éviter des dépôts dans les canalisations.

3) Le déshuilage quant à lui consiste àséparer les huiles et les hydrocarbures del'effluent brut.

Le procédé BIOTOP synthétise les opérationsdécrites ci-dessus et ce, grâce à la cuve deprétraitement qui est aujourd’hui protégéepar un brevet. Il accepte la totalité de l'effluentamené à la station d'épuration.Les eaux uséesarrivent directement dans le bassin primaire

au sein duquel s’opèrent l'homogénéisation etla séparation des résidus et des matières lour-des contenus dans les eaux à traiter.

Aucun dégrillage,dessablage ou déshuilagen'est donc nécessaire en tête de la stationd'épuration et ce,quelle que soit la nature desmatières domestiques reçues.Seules les matières imputrescibles qui ne peu-vent être dégradées par ce processus reste-ront prisonnières dans le bassin primaire dansl'attente d'une évacuation manuelle par pom-page.Ce procédé supprime par conséquentl'obligation de collecte des déchets biodégra-dables qui s'accumulent à l'entrée de la stationet qui occasionnent d'importantes nuisances(odeurs,pollutions...).

Le procédé BIOTOP prépare l'effluent en vued'accroître l'efficacité des étapes de traitementultérieures (en l'occurrence, les disques biolo-giques) Il homogénéise l'effluent de façonentièrement biologique. Il ne nécessite aucuneadjonction d'additifs. Le cycle d'homogénéisa-tion est entièrement régulé électroniquement,il s'adapte par conséquent aux variations jour-nalières et saisonnières de la charge organiqueet ne requiert aucune intervention humaine.

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B. Oxydation biologique

Le liquide ainsi préparé (aussi appeléliqueur) au sein du bassin primaire, estenvoyé à débit constant, par l’intermédiai-re de deux pompes d’alimentation, dansles réacteurs biologiques. Les pompes sontcommandées par un système de détectionde niveau et des procédures de régulation.Dans cette technique à culture fixée, onutilise la capacité qu’ont la plupart desmicro-organismes à se fixer sur des sup-ports très divers pour former un bio film.La flore bactérienne se développe ainsi surces disques en utilisant l’oxygène contenudans l’air et s’alimente de la charge pol-luante des eaux usées.Dans le procédé BIOTOP, l’apport en oxy-gène nécessaire aux besoins pour la syn-thèse bactérienne et aux besoins pour larespiration endogène est assuré pour unepart, par la lente rotation des réacteursbiologiques. Cette action permet de mett-re les bactéries alternativement en contactavec la matière organique biodégradablepuis avec l’oxygène présent dans l’airambiant, tout en assurant un brassage etdonc une homogénéisation de l’effluent.La masse biologique de micro-organismesaérobies absorbe directement l’oxygènede l’air et le transfert à la substance orga-nique à traiter dans une proportion opti-male, empêchant ainsi la formation desnitrates et l’accumulation de phosphore,cause principale du phénomène bienconnu d’eutrophisation.

Les Biodisques utilisés dans le procédéBIOTOP sont de conception particulière,puisqu’ils sont alvéolés dans leur épais-seur. Ils sont aujourd’hui protégés par unbrevet. Cette configuration présente plu-sieurs avantages, le support est allégé, etl’effluent circulant dans les alvéoles estd’autant plus brassé et donc oxygéné.

Les Biodisques utilisés dans le procédéBIOTOP sont de conception particulière.Ils sont aujourd’hui protégés par un brevet.Cette configuration présente plusieursavantages, le support est allégé, et l’ef-fluent est d’autant plus brassé et doncoxygéné.

Le réacteur de traitement biologiquecomprend un ensemble de disques fixéssur un axe, en rotation en partie immer-gés dans l’effluent pré-traité.Chacun des disques est formé de deuxplaques sensiblement parallèles, séparéespar un matériau cellulaire à cellulesouvertes. Cette inovation permet uneoxygénation optimisée des micro-orga-nismes fixés sur le disque.

Le cycle d’épuration devient effectifdès le quatrième jour après le premier démarrage de la station etatteint son fonctionnement optimalle vingt-cinquième jour.

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C. Sedimentation secondaire

La conception du bassin de sédimenta-tion secondaire (aussi appelé clarifica-teur), dans lequel convergent toutes leseaux arrivant des réacteurs biologiques, aété étudiée pour permettre une sédi-mentation rapide des boues et parconséquent la clarification des eaux. Leclarificateur, dimensionné sur des vitessesascensionnelles pouvant atteindre 2 mèt-res par heure en pointe, est en mesurede retenir les boues en excès. Les eauxclarifiées sont rejetées par la suite dansle milieu récepteur prévu à cet effet. (4)

D. Elimination des pollutionsazotesLa mise en œuvre des réactions de nitri-fication dénitrification nécessaires àl’élimination des pollutions azotées,requiert quelques adaptations du procé-dé BIOTOP. On doit mettre en place desvolumes d’anoxie en tête de station etcompléter le processus par une recircula-tion de la liqueur mixte (nitrates) en sor-tie des réacteurs vers le volume d’anoxie.Selon le volume d’anoxie mis en place, onatteint différents niveaux de traitements.

E. Elimination des pollutionsphosphoréesL’élimination des pollutions phosphoréesse fera selon les principes de la "surcon-sommation" biologique du phosphore.Cette technique nécessite la mise enœuvre en tête de station, d’un volumed’anaérobie stricte (sans oxygène et sansprésence de nitrates), complété par unerecirculation des boues du clarificateurvers le volume d’anaérobie.Au cours de la période d'anaérobiose,les cellules de la boue relâchent lephosphore dans le milieu extérieur etdans des conditions aérobies (dans leréacteur à disques biologiques), cesmêmes boues réabsorbent le phosphoreprésent ; c’est le phénomène de surcon-sommation. Soumises à ce régimecyclique, les boues s'adaptent et parvien-nent à piéger des quantités de phospho-re supérieures à leurs besoins métabo-liques propres.

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F. Stokage des boues

Les boues biologiques ainsi produites secaractérisent par la propriété d’une excel-lente sédimentation en sortie des réac-teurs. Cette grande densité limite le phé-nomène de « bulking » (boues légères)fréquent dans les systèmes traditionnelsdu type "boues activées" par exemple.

G. Système electronique degestion du cycle d’épuration

Ce système, spécialement programmé,est un élément fondamental du dispositifBIOTOP. Son action porte principalementsur l'étape de prétraitement de l'effluent.Il est composé d'un automate program-mable et d'une interface électronique« BIOMATIC Z3 ». L'ensemble du cycle

hydraulique peut être soit programmépar l'utilisateur soit déduit par le systèmequi se fonde sur le moment de la jour-née, la saison, des mesures de niveaux,des quantités de volumes recyclés et/outransférés vers les étapes suivantes ducycle de traitement.Ces différentes informations sont four-nies par un capteur de niveaux quiindique au système la quantité d'effluentreçue par le dispositif et par conséquentla quantité à prétraiter. Des contacts deniveaux de sécurité indiquent au systèmel'état du bassin (plein ou vide) afin deprévenir tout dysfonctionnement dudispositif (panne d'une pompe par exemple).

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Les atouts de la station BIOTOP

D :

De par son concept "Bio-technico-hydraulique", la station BIOTOP estparfaitement indiquée pour répondreaux besoins des petites et moyennescollectivités.

A. Bassin primaire assurantle dégrillage et le dessablage

Aucun dégrillage n’est prévu en tête de sta-tion quelle que soit la nature des matièresgrosses domestiques reçues à la station.Ce bassin primaire à fond plat, muni d’unecloison perméable, donne à chacune de cesmatières compactes l’obligation de trouverleur position dans le cycle de prétraite-ment, dans l’attente irrémédiable d’unedégradation physique ayant pour consé-quence leur dissolution dans les eaux à trai-ter (figure 3), c’est à dire :

qLes matières lourdes qui sédimententqLes matières flottantes qui restent en sur-faceqLes matières dissoutes qui trouvent leurplace entre les deuxLe reflux active très légèrement un courantd’eau ayant pour rôle d’obliger une homo-généisation plus ou moins rapide de toutesces matières. Seules les matières imputres-cibles qui ne seront pas atteintes par ce

processus resteront prisonnières dans lepremier compartiment, dans l’attente d’uneévacuation manuelle par pompage au mêmemoment que l’extraction des boues du trai-tement secondaire.Dans le même temps, les pompes d’alimen-tation des réacteurs biologiques situéesdans le second compartiment assurerontleur office sans risque de préjudice subi parles matières grosses, les filasses produitesseront traitées par une disposition particu-lière des pompes.Les électrovannes commandées par le sys-tème de gestion laissent un laps de tempsentre le reflux dans le premier comparti-ment et l’aspiration d’alimentation au réac-teur, permettant ainsi aux matières nondégradables de trouver leur place (sédi-mentation ou maintien en surface).Toutefois, et malgré les précautions prises,si quelques matières arrivant accidentelle-ment dans l’aspiration d'une des pompes dubassin primaire, se retrouvaient dans le bas-sin des réacteurs, cela n’aurait aucuneconséquence, puisque la composition desdisques imputrescibles est d’une grandeélasticité, ils ne subiraient donc pas de dom-mages. Si d’aventure ces matières indésira-bles arrivaient dans le traitement secondai-re, elles subiraient l’évacuation lors de l’ex-traction des boues.

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De la même manière, les sables faisant partie des matières lourdes se déposent aufond du premier compartiment et sont

lavés et relavés par le reflux déjà cité évitant ainsi toute formation d’agglomérat.

Ce dispositif comporte un collecteur (1)qui rejette l'effluent domestique dans lebassin primaire (2). Ce bassin primaire estcompartimenté par une ou plusieurs cloi-son perméable (3) formant ainsi des sousbassins (2a) et (2b). Ces cloisons assurentun rôle de filtre et contribuent à l'homo-généisation de l'effluent, favorisant ainsi lasuite du cycle d'épuration. Le bassin pri-maire ainsi cloisonné a pour fonction depiéger, dans l'un des sous bassins (2b), lesparticules lourdes au fond (sable et aut-res...) et les particules légères en surface(mousses). Le sous bassin (2a) est munid'un système hydraulique de pompage (4)et d'une régulation de débit de l'effluent.

Cette régulation peut s'effectuer endimensionnant différemment le diamètredes tuyaux (5) et (6) du circuit hydrauliquepar exemple et/ou en intégrant un disposi-tif de fermeture (7) (vannes réglablesmécaniques ou électromécaniques).Le mouvement d'eau généré par le refluxde l'effluent au sein du bassin primaire permet de réitérer la filtration de l'effluent(reflux dans un sous bassin (2b), d'éviter la sédimentation des particules lourdes aufond des sous bassins (2a) et (2b) et d'assurer à terme l'homogénéisation del'effluent.(8) : Système électronique de gestion.

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figure 5: LE BASSIN PRIMAIRE ET SON PRINCIPE DE REGULATION ELECTRONIQUE

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B. Variation de population etélasticité de fonctionnement

Toute variation du niveau du débit de l'ef-fluent est immédiatement décelée par uncapteur de débit installé dans le bassin pri-maire. Cette information est analysée parle système de gestion électronique quireconsidère alors le cycle de traitement(temps de pompage, volumes d'effluent àrecycler...), et ce, pour un parfait fonction-nement de la station.Si le débit à l'entrée de la station baisse, lebassin primaire, outre les fonctions deramassage et d’homogénéisation des eauxd’arrivées, assure alors la fonction de bassintampon.A l'inverse, lors d'une forte augmentationdu débit et par conséquent de la chargeorganique, la pellicule biologique en activitésur les disques possède la propriété d’ab-sorber pour plusieurs heures une chargedix fois supérieure à la charge normale, sansaltération de la qualité de l’eau en sortie.L’augmentation ou la diminution de popu-lation n’occasionnera donc aucune modifi-cation du cycle, l’autorégulation des bio-masses sur les disques assurera ce rééquili-bre dans la limite de la capacité nominalede la station.

C. Insensibilité à la température extérieure

En considérant, que de connaissance uni-verselle, l’oxydation de la flore bactérien-ne engendre une réaction exothermique,

que la matière constituant les disques estparticulièrement adaptée à la conserva-tion de la chaleur, que la rotation desdisques empêche la stagnation des eauxdans le réacteur, les variations de tempé-rature extérieure de - 30 à + 60 degrésne constituent aucun inconvénient auprocessus d’épuration.Plusieurs paramètres interviennent eneffet pour garantir le bon fonctionne-ment du cycle épuratoire lors de trèsbasses températures :

q Le métabolisme de base spécifique auxbactéries du biofilm qui traduit la dépen-se d’énergie physiologique reflète l’exo-thermicité des réactions d’oxydoréduc-tion à l'origine de l’activité assimilatrice.q Le coefficient de conductibilité ther-mique de la matière constitutive desdisques biologiques et celui de l’espacede confinement qui participe à la non-dispersion de la chaleur.q La position semi-enterrée et ferméedes réacteurs (volant thermique du sol,soustraction à l’effet du vent et effet deserre).q La valeur élevée de la capacité calori-fique des eaux à traiter due à leur fortecharge organique qui provient du bassinprimaire (température des eaux bénéfi-ciant du volant thermique du prétraite-ment).q L’absence de stagnation du miroir deseaux du réacteur due à la rotation desdisques.q La température des eaux de rejet déjàélevée à l’arrivée dans la station et

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conservée par le volant thermique dubassin primaire enterré.Ce bilan exothermique dû à la proliféra-tion des bactéries, se traduit par le main-tien de la température aux abords immé-diats, ce qui permet d’affirmer qu’en acti-vité ces masses biologiques ne pourronten aucun cas subir l’effet de gel, et ced'autant plus que toute l’installation quiaccueille les réacteurs biologiques estentièrement couverte et isolée.

D. Insensibilité aux hydrocar-bures et aux huiles minérales

La masse biologique présente sur ledisque est également en mesure d’absor-ber et de digérer les molécules com-plexes que constituent les hydrocarbu-res, graisses et autres matières grasses.Le système à disques biologiques paressence, cultive et favorise la proliféra-tion des bactéries qui s’alimentent selonleur besoin en oxygène ainsi que de tou-tes formes de pollution.Lorsque les proportions de graisse nedépassent pas les normes ordinairementenregistrées dans les eaux brutes d’origi-nes domestiques, le système absorbesans aucune défaillance les graisses ethydrocarbures traditionnellement ren-contrés. Les huiles et graisses arrivantdans les réacteurs à disques biologiquessont condamnées à se déposer sur lesdisques en rotation, permettant aux bac-téries en activité sur ces disques de s’ali-menter en proportion optimale de cettepollution. Il est évident qu’en cas de crise

ponctuelle générant une proportion exa-gérée de graisse dans l’effluent brut, l’ab-sorption par les bactéries de cette sur-dose de graisse, aboutirait à la formationd’un film isolant qui transformerait labiomasse aérobie en anaérobie et déga-gerait des odeurs inhabituelles. Il sembledonc rationnel de se limiter aux propor-tions maximums admises habituellement,soit 40 à 60 mg par litre, proportions quidépassent largement les rejets domes-tiques habituels même si nous savonsque le système absorbe jusqu’à 100 mgpar litre.

E. Une parfaite intégrationdans le site

La station d'épuration a souvent étéconsidérée, à tort, comme l'installation"honteuse" d'une collectivité locale, on enparlait peu et on ne la montrait surtoutpas. Les mentalités ont évolué, nous nousdevons donc de proposer des solutionsintégrées et esthétiques.La station d'épuration BIOTOP est extrê-mement compacte. L'agencement des dif-férents modules (bassin primaire, réacteur,clarificateur, silos à boues...) est conçupour réduire au maximum la consomma-tion d'espace et ainsi permettre une par-faite intégration de la station BIOTOPsur le site à équiper.

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F. Entretien et rentabilité duprocédé

L’entretien directement lié au fonction-nement permanent de cette station d’é-puration se limite à la vérification pério-dique des pièces mécaniques en mouve-ment.Aucune intervention au plan duprocessus ne se justifie, en particulier ence qui concerne les variations saisonniè-res de population (dans la limite de lacapacité nominale).

En effet, le système à disques biologiqueset la procédure de régulation électro-nique du cycle correspondant permetd’assurer une autonomie complète etpermanente de l’ensemble de la station.Un contrat d’exploitation peut être pro-posé pour l’entretien et le suivi de l’ins-tallation.

G. Coût d’exploitationélectrique

Le coût moyen journalier d'exploitationélectrique peut être aisément estimé. Laconsommation des équipements élec-triques étant connue (pompes, motoré-ducteurs, capteurs...), on peut alors cal-culer la consommation totale en électri-cité et le coût journalier. Selon l'Agencede l'Eau ce coût pour une station clas-sique est de l'ordre de 0.2 kWh/kg deDBO5 éliminé.

Pour une BIOTOP la consommation estde 0.03 kWh/kg de DBO5 éliminé, soitpratiquement 7 fois moins.

H. Garantie de fonctionnement de l’exploitation

Paramètre Concentration % mini de réduction

DBO5 25.mg/l 70 à 90

DCO 125.mg/l 75

MES >10 000 EH 35.mg/l 90

Niveau de rejet sera celui défini par les normes européennes soit :

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NOTES :

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ingenium assure la conception et le dévelop-pement du procédé d’épuration Biotop System.

ingenium s’associe aux compétences localesen maintenant son soutien technique, pourdévelopper et promouvoir le procédé d’assainis-sement BIOTOP System.La volonté finale étant de mettre en place unréseau international de proximité, INGENIUMest toujours en quête de nouveaux partenaires.

Commercialisation

SOCIÉTÉ D’ÉTUDES TECHNIQUES E T D E R E C H E R C H E Sw w w . i n g e n i u m - s a . c o me-mail : contact@ingenium-sa.comMaison du Parc Technologique2 0 6 0 1 B A S T I A - F r a n c eTél. : +33 495 309 616Fax : +33 495 309 617

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