Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Eau – Épuration – Simulation par ordinateur“

Le traitement de l'azote au sein des stations d’épuration des eaux usées devient l'un des principaux enjeux actuels du fait de son impact particulièrement néfaste sur le milieu naturel. A l'aval de traitements secondaires à moyenne et forte charge, les gestionnaires peuvent avoir recours à la nitrification tertiaire par biofiltration, procédé intensif s’insérant bien pour les installations à réhabiliter dans les zones à forte pression foncière. Il s’avère être un procédé capable d’éliminer de très fortes charges dans un espace restreint par sa capacité à accumuler une quantité importante de biomasse active autour du matériau filtrant. La simulation du comportement d’un tel procédé n’est pas directe, et peu de travaux ont mené à un outil utilisable en ingénierie. Or, son usage serait indispensable pour valider le dimensionnement en conditions réelles de fonctionnement et en régime dynamique. L’objectif principal de ce travail a porté sur l’étude et la validation d’un modèle de biofiltration déjà existant mais encore jamais testé avec des données réelles de terrain en traitement tertiaire de nitrification. Dans ce but, le fonctionnement d’une installation pilote semi-industrielle alimentée par un effluent urbain réel provenant de bassins par boues activées a été étudiée. Afin de se placer en condition dynamique de fonctionnement, différents paliers de charges moyennes journalières en azote ont été appliqués, au sein desquels des à-coups de charges hydrauliques ont été provoqués. Les résultats acquis en continu pendant plus d’un an, associés à un protocole de calage systématique issu d’une étude de sensibilité, ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calé et validé du modèle. Le protocole a nécessité la mise en œuvre de tests spécifiques caractérisant régulièrement le biofilm développé dans le procédé. Ces essais ont augmenté le nombre de variables d’état observées et à comparer avec les prédictions du modèle, ce qui a permis de mieux en évaluer sa robustesse. En parallèle, les tests spécifiques ont permis d’étudier la dynamique des processus impliqués dans l’élimination de l’azote au sein du procédé. Les paramètres influençant les performances globales du traitement de l’azote, l’activité et la quantification de la biomasse autotrophe, son temps de séjour ou encore sa répartition au sein du milieu filtrant ont ainsi pu être évalués. La double démarche expérimentale et numérique a permis de montrer que le modèle de biofiltration est capable de simuler des performances de traitement de l’azote conformes à la réalité. D’autre part, ce travail a permis d’étudier de manière approfondie les mécanismes inclus dans le modèle et leurs limitations face aux différentes conditions de fonctionnement appliquées au système. Des faiblesses du modèle concernant le comportement des composés particulaires et l’évolution de la perte de charge au sein du pilote ont notamment été dégagées.<br>Nitrogen removal in wastewater treatment plants becomes more and more used due to the harmful impact of nitrogen on the natural environment. After medium and highly loaded secondary treatment, practitioners could use biofiltration for tertiary nitrification, which is an intensive process adapted in areas with strong land pressures. This technology can remove very strong loading rate in a restrained space by its capacity to developp an important amount of active biomass into the filtering media. Simulation of such technique’s behaviour is not direct, and few studies led to a useful tool for engineers. However, its use is necessary in order to validate design in real operating conditions and dynamic conditions. The main objective of this work concerned the study and validation of a biofiltration model which already exists but has still never been tested with real data in tertiary nitrification treatment. In order to reach this objective, the behaviour of a semi-industrial pilot plant, fed by real domestic effluent from an activated sludge plant, was studied. In order to operate in dynamic conditions, different daily volumetric nitrogen loading rates were applied, in which dynamic peak-loads were carried out. The calibration and the validation of the model parameters were done thanks to on-line ammonia and nitrate analysers during one year and more, in association with a calibration procedure and a sensitivity analysis. The protocol required the implementation of specific tests for characterization of the biofilm inside the filtering media. These tests increased the number of the observed state variables to compare with the model predictions. That allows a better evaluation of the model robustness. At the same time, the dynamics of processes taking part in the nitrogen removal into the biofilm were investigated thanks to these specific tests. So, parameters which influence the nitrogen removal, overall performance, activity and quantification of autotrophic biomass, its solids retention time or its repartition inside the filtering media, could be determined. Combination of experimental observations and numerical modelling highlighted the capacity of the biofiltration model to provide good predictions on real nitrogen removal performances. Furthermore, this study allowed to evaluate mechanisms included in the model and their limitations with different operating conditions applied in the system. Finally, weaknesses of the model concerning solids compounds and the evolution of head loss in the pilot plant were established.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'optimiser par simulation numérique le fonctionnement des membranes céramiques pour les rendre plus performantes et étendre l'intérêt pour ces membranes de nouvelle génération à de nouvelles applications industrielles potentielles. L'objectif de la première partie est d'augmenter la surface d'échange ou l'aire spécifique des modules membranaires. Le but de la seconde partie est d'optimiser le taux de cisaillement à la paroi pour permettre de limiter l'apparition du phénomène de polarisation de concentration et/ou de colmatage sous quelles que formes que ce soient. Les deux premières approches ayant pour but d'obtenir un débit de perméat très important, il était important de vérifier si la matrice poreuse pouvait évacuer un tel débit. Le dernier chapitre est consacré à l'utilisation de membranes de grande aire spécifique pour une application industrielle, à savoir le traitement des eaux de fond de cales par ultrafiltration

Ce travail porte sur des fibres creuses hélicoïdales, où l'écoulement de Dean apparaît, ce qui permet d'augmenter la contrainte de cisaillement à la paroi. A l'échelle laboratoire l'utilisation de membranes hélicoïdales tressées permet d'améliorer le flux limite. La simulation numérique a permis de caractériser l'écoulement en déterminant l'influence de la vitesse, de la géométrie et des proportions perméées. Il apparaît que la contrainte de cisaillement à la paroi varie le long du périmètre d'une section, alors que les quantités perméées restent constantes. Il est montré que la meilleure configuration est celle à deux fibres par tresse choisie pour nos expérimentations. Des modules de taille industrielle ont été fabriqués et testés. Un pilote automatisé est utilisé pour réaliser des essais de filtration à grande échelle, dans des conditions maîtrisées, puis lors de deux campagnes sur site (une eau souterraine puis une eau de surface). Les modules n'ont montré aucun vieillissement prématuré, mais l'influence de l'hydrodynamique est moins importante que lors d'essais réalisés en conditions limites<br>This work concerns fouling reduction by means of helical hollow fibres in which Dean flow appears. The wall shear stress is stronger than in a straight fibre. It was already shown that the use of helical membranes increases limiting flux. The most advantageous configuration is a lengthened helix resulting of woven fibres. Such a geometry was never studied before. The computational fluid dynamics allowed to characterize the flow in woven hollow fibres through the influence of velocity, geometric parameters and permeated flux. When pure solvent is considered, the wall shear stress is found varying along the perimeter of a section, whereas the filtration rate remains constant. The best configuration for woven fibres is that with two fibres per strand and was chosen for experimental campaigns. Various modules of industrial size were manufactured and tested. An automated pilot was used in order to carry out tests at large scale filtration, initially under controlled conditions, then on two in-situ campaigns. The modules have not shown any premature ageing, though influence of hydrodynamics seems less important than that obtained under limiting conditions

Cette etude concerne un chenal d'oxydation ou les fonctions de brassage et d'aeration sont dissociees. L'objectif est double : predire l'hydrodynamique de la phase liquide et comprendre l'impact de l'hydrodynamique sur le transfert de matiere. Pour repondre a ces objectifs, une approche experimentale et une approche theorique sont developpees. Experimentalement, on met en evidence l'obtention d'un nombre de pompage plus eleve en chenal qu'en cuve agitee. La vitesse de circulation est determinee pour deux configurations originales du systeme d'agitation. La caracterisation de la dispersion gaz-liquide, dont l'originalite repose sur la mesure de la retention gazeuse, montre l'effet preponderant de la retention gazeuse sur l'augmentation de l'aire interfaciale et du coefficient de transfert par la suppression des spiral flows en presence d'une vitesse horizontale du liquide. Un modele filaire, base sur les equations de conservation de masse et de quantite de mouvement et developpe pour tout type de systeme d'agitation et de bassins, permet de predire la vitesse de circulation dans des conditions d'utilisations courantes. La mecanique des fluides numeriques s'interesse aux conditions aux limites et a la modelisation de l'agitateur. En systeme gaz-liquide, l'outil numerique confirme les resultats experimentaux par l'analyse du taux de presence et la suppression des spiral flows. La modelisation realise permet d'utiliser cet outil pour une future optimisation du procede.

L'étude des mécanismes de transfert et évaluation des capacités d'oxygénation et de traitement des dispositifs de traitement par cultures fixées sur matériaux granulaires fins alimentés en discontinu. – Développement d'un modèle de biodégradation" est l'objet du travail mené visant une meilleure compréhension des mécanismes majeurs s'établissant au sein des lits d'infiltration percolation et permettant au moyen de certains choix opérationnels, une pérennisation de la filière. Tout d'abord, dans une première partie, nous exposons l'état d'avancement de la recherche dans ce domaine. Après des généralités sur les filières de traitement des eaux usées, il est fait cas de l'infiltration percolation sur sable; de ses spécificités, des contraintes qu'elle impose et des attentes au niveau de la recherche. La problématique du choix de type de sable qui constitue le matériau de garnissage ou support de la biomasse en relation avec les capacités d'oxygénation du milieu poreux et les risques de colmatage demeure un souci permanent. L'intérêt de la seconde partie essentiellement expérimentale porte sur la caractérisation physique et hydrodynamique des sables roulés et concassés constituant les massifs filtrants en milieux non colonisés. L'hydrodynamique des massifs filtrants a permis une analyse comparative des distributions de temps de séjour du fluide percolateur en milieu vierge et en régime continu puis discontinu. Indépendamment des supports étudiés, les temps de résidence du traceur sont d'autant plus élevés que l'alimentation se fait à fréquences espacées et à volume par bâchée considérable. En revanche, pour chacune des fréquences d'alimentation testées, la récupération du traceur s'est effectuée plus rapidement au sein de la colonne constitué des sables alluvionnaires. Le second volet de l'étude hydrodynamique est effectué en milieu colonisé. L'efficacité du traitement biologique du carbone est supérieure pour un sable d'origine alluvionnaire comparativement à un sable concassé ;la tendance s'inversant significativement lorsqu'il s'agit de l'abattement de l'azote. Cet efficacité est directement corrélée à l'oxygénation du massif filtrant autrement dit au renouvellement de la phase gazeuse du milieu poreux. Exploitant une technologie de fluorescence nous permettant de détecter aussi bien l'oxygène gazeux que dissous, nous parvenons à déterminer les différents ordres de grandeur des phénomènes de convection et de diffusion ainsi que leur importance relative dans la ré-oxygénation d'un massif filtrant. Le développement d'un modèle numérique simulant l'infiltration et le traitement des eaux usées à travers un milieu poreux colonisé constitue l'épilogue de ce travail. Deux approches de résolution sont utilisées : une approche globale qui résout simultanément à l'aide d'un unique schéma les parties transport et chimie de chaque équation et une approche par séparation d'opérateurs qui résout séparément et successivement les parties convection, dispersion et cinétique<br>Aim of this work is to enhance understanding of the main phenomena occurring during infiltration of wastewater within vertical flow sand filter. We also introduce some operating possibilities which may improve efficiency and keep seepage beds in good working order. In the first part we document state of art in this research topic. Following some general remarks about different wastewater treatment techniques, more precise description of seepage beds is made with particular interest on its constraints and needs of further research. A central issue is the choice of porous media. It should be adapted to allow good oxygen feeding for bacteria growing on it and avoid biological clogging. Second part, mainly experimental, is focused on physical and hydraulic characterization of un-colonized crushed and stream sand. We carried out a residence time distribution (RTD) comparison of these two sands under steady and unsteady flow. Apart from characteristics of porous media and with a constant daily loading rate, decreased frequencies involve longer residence times. On the other hand, output recovery of the mass of injected tracer always occurs faster with stream sand. Continuation of hydrodynamic study is made with colonised porous media. Efficiency of biological removing of carbonaceous pollution is higher within stream sand. Opposite trend is observed with nitrogenous pollution. Removing of both nitrogenous and carbonaceous pollutions is linked to oxygenation. In other words it is linked to renewal of gaseous phase in porous medium. We highlight convection and diffusion of oxygen in porous media by using a fluorescence technology, which allows us to detect both gaseous and dissolved oxygen. We compare participation of convection and diffusion phenomena to renewal of oxygen. Achievement of this work consists on the development of a numerical code which simulates flow and pollution degradation through a colonized porous medium. Two different numerical methods have been used. In the first model, also called global approach, chemical and transport parts of each equation are solved by a single numerical scheme. A second model introduces a splitting operator method which solves separately and successively convective, dispersive and kinetic parts of each equation

Cette thèse présente une étude sur la modélisation, la formulation par le formalisme des Systèmes Hamiltoniens à ports et la discrétisation des processus de solidification dont l'interface est supposée diffuse et est modélisée par l'approche des champs de phase. Ses travaux traitent en détail de la solidification de l'eau dans le contexte de fournir des modèles numériques adaptés à la simulation, à la conception et au contrôle de procédés de purification de l'eau. Le premier chapitre rappelle d'abord de manière synthétique les modèles physiques de systèmes biphasique et de leur interface. Il présente ensuite en détail l'approche des champs de phase pour la modélisation des interfaces diffuses ainsi que le modèle thermodynamique du système biphasique. Puis il rappelle le modèle dynamique de la solidification d'une espèce, en particulier de l'eau, comme un système de deux équations d'évolution, l'équation d'Allen-Cahn et l'équation de bilan d'énergie. Ces modèles sont basés sur les propriétés thermodynamiques employant l'entropie totale comme potentiel thermodynamique. Dans le deuxième chapitre, après le rappel de la définition de systèmes hamiltoniens dissipatifs à port frontière, on rappelle que l'on peut formuler l'équation d'Allen-Cahn ainsi que le modèle de solidification complet sous cette forme, en augmentant les variables d'état avec le gradient de la variable de champ de phase. Puis l'on montre que les relations thermodynamiques issues des données sont exprimées en termes de variables intensives et mènent à une formulation hamiltonienne à port implicite. Le dernier chapitre se concentre sur la discrétisation préservant la structure du processus de solidification en utilisant la Méthode des Éléments Finis Partitionnés. Cela garantit que le modèle discrétisé conserve des propriétés clés telles que la conservation de l'énergie et la passivité. Le chapitre développe les formulations faibles, les projections et les hamiltoniens discrets pour l'équation de la chaleur et l'équation d'Allen-Cahn, puis développe la discrétisation du modèle de solidification complet. La principale contribution de ce chapitre réside dans la méthodologie de discrétisation appliquée au modèle Port Hamiltonien implicite du processus de solidification en utilisant l'entropie comme fonction génératrice. Globalement, cette thèse propose une approche pour la modélisation, la simulation et le contrôle des processus de solidification en utilisant le cadre Hamiltoniens à ports. Les résultats posent une base complète pour de futures recherches et développements dans les systèmes à paramètres distribués avec interfaces mobiles, en particulier pour les applications en ingénierie environnementale et chimique<br>This thesis presents a study on modeling, formulating, and discretizing solidification processes using the Port Hamiltonian framework combined with the phase field approach. The goal is to provide numerical models suitable for simulating, designing, and controlling such processes. It addresses the challenges of representing and controlling phase change phenomena in distributed parameter models with moving interfaces, with a particular focus on the solidification of pure water. The work has been motivated by the development of green processes for water purification technologies such as cyclic melt and crystallization of water, which offer a low-energy solution while minimizing the use of hazardous materials. The first chapter recalls briefly the physical models of multiphase systems and the description of the interface between the phases, in terms of thin or diffuse interfaces. It presents the phase field theory and the associated thermodynamical models of the multiphase systems. Finally, it expresses the dynamics of solidification processes as a coupled system of evolution equations consisting of the Allen-Cahn equation and energy balance equations. A main contribution of this chapter consists in a comprehensive presentation of solidification using the entropy functional approach within the phase field framework. In the second chapter, the Port Hamiltonian formulation of the dynamics of solidification processes using the phase field approach is developed. This chapter introduces Boundary Port Hamiltonian Systems and shows how an extension of the state space to the gradient of the phase field variable leads to a Port Hamiltonian formulation of the solidification model. The model is written in such a way that it utilizes the available thermodynamic data for liquid water and ice, allowing for a detailed and physically-based modeling, leading to an implicit Boundary Port Hamiltonian model. The final chapter focuses on the structure-preserving discretization of the solidification process using the Partitioned Finite Element Method. This ensures that the discretized model retains the Port Hamiltonian structure and, in turn, the key properties such as energy conservation and passivity. The chapter covers weak formulations, projections, and discrete Hamiltonians for the heat equation and the Allen-Cahn equation, leading to the spatial discretization of the solidification model. The principal contribution of this chapter lies in the discretization methodology applied to the implicit Port Hamiltonian model of the solidification process using entropy as the generating function. Overall, this thesis provides structured models of solidification processes using the Port Hamiltonian framework, providing a foundation for their physics-based simulation and control and for future research and development in distributed parameter systems with moving interfaces, particularly for environmental and chemical engineering applications

L'objectif de cette étude est de développer un procédé hybride qui combine à lacoagulation, la floculation et le procédé de flottation dans un hydroclone pour réaliser letraitement de l'eau. Le développement sert à déterminer la caractérisationhydrodynamique ainsi que les conditions optimales pour réaliser le traitement de l'eau.L'étude de caractérisation hydrodynamique est réalisée à l’aide d’une simulationnumérique (Computational Fluid Dynamics). Le travail expérimental a été réalisé à l’aidede la technique dite de l'échographie Doppler afin d’étudier l'hydrodynamique. Lesrésultats ont servi à valider la technique expérimentale « méthode de la goutte d’huile » et les connaissances de base expliquant les phénomènes du procédé hybride. La technique de diffraction du laser est utilisée pour déterminer la taille des micro-bulles ainsi que les paramètres qui affectent leur taille.Le travail expérimental sur le développement d'un pilot hybride est étudié avec del'eau synthèse et de l'eau naturelle. L'objectif de cette étude est d'appliquer ce procédéhybride pour le traitement de l'eau. Différents paramètres tels que les caractéristiques del'eau brute, le type et la concentration de coagulant et de floculant, la fraction de l'air et ledébit d'entrée, ont été modifiés à plusieurs reprises afin d'en déterminer les effets sur leprocédé hybride<br>The aim of this study is to develop a hybrid process which combines withcoagulation, floculation and flotation process in a hydroclone for water treatmentprocess. The development is for characterization the hydrodynamics of this process andto find the optimum condition for water treatment process.The hydrodynamics characterization study is carried out by the numericalsimulation (Computational Fluid Dynamics) and experimental work by Dopplerultrasound velocimetry technique to study the hydrodynamics for the further research.The results are used for validating the oil droplet experimental technique and to be thebasis knowledge to explain the phenomena in the hybrid process. Laser diffractiontechnique is involved for determining the micro bubbles size and also study on theparameter affects to the size. The experimental work of a developed hybrid pilot plant is studied with synthesisraw water and natural river water. The objective of this study is to apply this hybridprocess for the water treatment. The parameters have been varied in many operatingconditions to indicate the separation and the water treatment phenomena such as rawwater characteristic, coagulant - floculant type and concentration, air fraction and inletflow rate

L’estuaire de la Gironde est sujet à des épisodes d’hypoxie très marqués en été dans la Garonne estuarienne autour de Bordeaux, lorsque le bouchon vaseux y est très concentré, le débit fluvial faible et la température élevée. Les observations indiquent que la diminution des concentrations en oxygène est liée à la combinaison des facteurs naturels (apports par le bassin versant et hydrodynamique sédimentaire) et anthropiques (rejets d’eaux urbaines partiellement traitées). Afin de quantifier les mécanismes contrôlant les variations temporelles et spatiales de l’oxygène dissous, un modèle biogéochimique a été couplé à un modèle hydro-sédimentaire à 3D, capable de simuler le transport des variables dissoutes et particulaires, les réactions consommant l’oxygène, et la ré-aération par l’atmosphère. Le modèle biogéochimique reproduit bien les variations d’oxygène dans la Garonne à Bordeaux à l’échelle saisonnière et lunaire et permet de quantifier les contributions relatives des rejets urbains et des apports du bassin versant à la consommation en oxygène. Utilisé pour simuler des conditions futures (d’ici à 50 ans), le modèle indique que les phénomènes d’hypoxie estivale ont tendance à s’amplifier dans la Garonne estuarienne du fait de l’augmentation de la température de l’eau, de la diminution des débits fluviaux et de l’augmentation de la population dans l’agglomération bordelaise. Les simulations de différents scenarii de gestion indiquent que des soutiens d’étiage, une amélioration du traitement des eaux urbaines et éventuellement un transfert des rejets vers l’aval seraient nécessaires pour éviter une altération drastique de la qualité du milieu aquatique<br>The Gironde estuary shows frequent events of hypoxia, particularly during summer in the Garonne tidal river near the city of Bordeaux, in the presence of a dense turbidity maximum, when river discharge is low and water is warm. Field observations reveal that decreases in oxygen concentrations are linked to the combination natural processes (inputs from the watershed and sediment hydrodynamics) and anthropogenic processes (loads of partially treated urban waters). In order to quantify the mechanisms controlling the temporal and spatial variations of dissolved oxygen, a 3D biogeochemical model was coupled to the hydro-sedimentary model. It allowed simulate the transport of solutes and suspended material, the biological reactions consuming oxygen, and the re-aeration by the atmosphere. The biogeochemical model reproduces satisfactorily the seasonal and neap-spring time scale variations of dissolved oxygen around the city of Bordeaux and quantifies the relative contribution of urban and watershed inputs to oxygen consumption. When used to simulate future conditions (50 years), the model indicates that summer hypoxia will likely increase in the future, due to the increase in water temperatures and decrease in river discharge (droughts), and increase in population in the megacity of Bordeaux. Simulation of different management scenarios indicate that support for low-water river discharge, improvement of waste water treatments, and eventually a displacement of urban load downstream will be necessary in order to avoid a drastic alteration of the quality of the aquatic system