Academic literature on the topic 'Traitement des eaux résiduaires urbaines'

Les effluents issus des stations d’épuration des eaux usées industrielles et municipales contiennent des quantités non négligeables de polluants organiques, inorganiques et microbiens, qui sont rejetés dans l’environnement par voie directe, ou en suivant la filière de réutilisation (irrigation ou arrosage, etc.). Ces eaux résiduaires constituent l’une des principales sources de contamination des eaux de surface et souterraines (augmentation de la demande chimique en oxygène (DCO), coloration et eutrophisation des cours d’eau, etc.). Dans l’optique de palier le déficit croissant des ressources en eau destinées à la consommation humaine, ces eaux résiduaires sont de plus en plus soumises à des traitements poussés en vue d’une réutilisation. Cette réutilisation doit toujours être réalisée dans l’objectif de fournir une eau présentant, en continu, une qualité spécifique liée à l’usage attendu (eau de production, eau de lavage, eau de refroidissement, eau d’irrigation ou d’arrosage, etc.). Les procédés conventionnels peuvent s’avérer non adaptés, notamment par leur manque de fiabilité dans la qualité des eaux traitées et le risque encouru de contamination microbiologique. Pour faire face à cette importante problématique, les techniques membranaires, notamment les bioréacteurs à membrane (BRM), peuvent constituer une avenue potentielle de traitement et de réutilisation de ces effluents. L’intérêt de ces procédés réside dans leur aspect non polluant, leur facilité d’automatisation et leur capacité à éliminer simultanément les différents polluants en une seule étape de traitement. Ces technologies offrent la possibilité de clarifier et de désinfecter simultanément les eaux sans risque de formation de composés organo-halogénés. Dans cet article, les BRM sont situés par rapport aux techniques conventionnelles de traitement biologique d’effluents. Par la suite, un accent particulier est mis sur la présentation des connaissances actuelles concernant les principes de base des BRM, les critères d’application et les conditions d’opération qui influencent les performances de ces technologies. Les développements récents portant sur la modélisation mathématique de fonctionnement et de colmatage de ces modules sont également présentés. Finalement, les applications industrielles et les coûts d’implantation et d’opération de ces technologies sont brièvement discutés.

Résumé Depuis plus de 15 ans, la Direction de la Recherche et du Développement du Syndicat Interdépartemental pour l’Assainissement de l’Agglomération Parisienne (SIAAP) étudie le procédé de biofiltration des eaux résiduaires urbaines. Les différents travaux de recherche et développement, menés à l’échelle industrielle et semi-industrielle (stations d’épuration/ prototypes/pilotes) ont permis au SIAAP d’acquérir une réelle expérience sur ce procédé de traitement. L’objectif de cet article de synthèse est d’extraire de ces 15 années de travail des informations clés sur les performances et les limites des biofiltres (charges éliminées et influence des conditions d’exploitation sur l’élimination de la pollution) ainsi que sur les mécanismes de colonisation et d’encrassement des massifs filtrants.

Résumé Depuis quelques années, la présence de substances pharmaceutiques a été observée dans les milieux aquatiques y compris dans l’eau potable. Les principales sources de dispersion de ces composés dans l’environnement sont les stations d’épuration des eaux usées (STEP). Une analyse de la littérature publiée sur le sujet est proposée. Ce sont les analgésiques/anti-inflammatoires, les hypocholestérolémiants, les cytostatiques et les bêta-bloquants qui présentent les concentrations les plus élevées en entrée de station d’épuration. Malgré des rendements d’élimination quelquefois très élevés, les concentrations de ces groupes de médicaments restent non négligeables dans les effluents de stations. Les antibiotiques forment un des plus importants groupes de médicaments à cause de leur niveau de consommation, de leur fréquence de détection dans les milieux aquatiques et de leur action spécifique sur les bactéries, notamment celle potentiellement néfaste qu’ils peuvent avoir sur les bactéries mises en oeuvre dans les systèmes de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines. Globalement, la charge en antibiotiques est faible dans les eaux usées urbaines mais elle est forte dans les effluents des hôpitaux. Les rendements d’élimination sont, quant à eux très variables, allant de 0 % pour le nitrothiazole à 95 % pour la tétracycline.

Dans cet article, nous présentons des travaux mettant en évidence les capacités de traitement biologique des eaux résiduaires urbaines au sein des milieux poreux de textures différentes. Une étude comparative du développement de la biomasse couplé aux mécanismes généraux de transferts gazeux à travers deux réacteurs biologiques est menée. Des lits d’infiltration percolation sont simulés par des colonnes garnies de sables d’origine et de structures différentes. Ils sont alimentés périodiquement via un automate de commande avec un influent d’une charge de 525 mgDCO/l et de 54 mgNK/l. Les résultats obtenus établissent le fait qu’un développement équilibré de la biomasse incluant les phases de croissance et de régression est intrinsèquement lié à la nature physique du matériau support. A l’aide des carottes prélevées sur les massifs filtrants et des sondes d’oxymétrie introduites à différentes hauteurs des lits d’infiltration, nous montrons que la répartition verticale du biofilm dans les colonnes ainsi que l’oxygénation des milieux poreux lors des périodes de repos sont également corrélées à la structure des supports pourtant de diamètres moyens similaires. L’efficacité de 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 la diminution de l’azote.

Ce travail a porté sur l'application du lagunage anaérobie pour le traitement primaire des eaux résiduaires urbaines sous climat méditerranéen. Il a été réalisé sur les lagunes anaérobies de l' Ecosite de Mèze (Hérault, France). Les lagunes anaérobies constituent un traitement primaire satisfaisant avec des rendements moyens de 55% pour les MES et 30% pour la DBO5, pour une faible emprise au sol. Le taux d'accumulation des boues est de seulement 0,017 m3 /EH.an, notamment du fait de l'efficacité de la dégradation anaérobie. L'équilibre du métabolisme anaérobie des boues est atteint après un an de fonctionnement. L'accumulation des boues se fait alors de façon saisonnière avec une forte accumulation en hiver et une digestion du stock en été. Cette évolution est liée à l'influence de la température sur la méthanogénèse. La production de biogaz (83% CH4) a pu être mesurée par des collecteurs à gaz mis au point pour cette étude et dépend également fortement de la température. Le bilan du carbone montre que 74% du carbone organique épuré est converti en CH4, 13% en carbone inorganique dissous et seulement 15% est stocké dans les boues. Toutefois, les lagunes anaérobies présentent un risque de créer des nuisances olfactives dues à l'émission de H2 S.

La mission principale du groupe de travail Epnac est de mettre à disposition des informations techniques sur la conception, le dimensionnement et l’exploitation des ouvrages de traitement des eaux usées adaptés au contexte rural. Il s’adresse notamment aux maîtres d’oeuvre et maîtres d’ouvrage, qu’ils soient issus du domaine privé ou public. Le groupe national inclut l’ensemble des acteurs publics de l’eau et de l’assainissement (financeurs, législateurs, techniciens de terrain), en intégrant une caution scientifique par le biais de l’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (Inrae). Son mode de fonctionnement est inédit à l’échelle nationale, en particulier sa structuration en ateliers participatifs de travail, sur un socle d’acteurs experts et indépendants, avec l’implication active de l’État dans les réflexions. Après une décennie de travail, le groupe comptabilise 46 documents produits directement par ses 15 ateliers, de 2009 à 2019. Les productions sont en libre accès sur le site Epnac, qui contribue ainsi à la mise en ligne de 118 ouvrages de référence, et devient un centre de ressource national dans le domaine de la gestion des eaux urbaines résiduaires des petites et moyennes collectivités. Le colloque dénommé Journées techniques Epnac est également le reflet de ce partage des connaissances en toute objectivité, avec près de 150 participants chaque année venant de différents horizons de la sphère publique. Cette expertise portée par le groupe revêt toute son importance dans le contexte actuel de mouvance des acteurs territoriaux de la gestion de l’eau. Les nouveaux ateliers de travail oeuvrent dès 2020 sur les thématiques « réhabilitation des stations », « procédés nouveaux », « réglementation », « pluvial », « interaction avec les collectivités » et « réutilisation des eaux usées traitées ».

Au Burkina Faso, l’un des soucis majeurs demeure la gestion des eaux résiduaires dans les villes. Notre objectif a été d’étudier des procédés biologiques alternatifs destinés aux petites et moyennes collectivités et particulièrement adaptés aux conditions climatiques tropicales. Nous avons examiné les performances épuratoires de deux matériaux de filtration que sont le sable et un substrat de coco concassé (fibres de coco), sur des systèmes pilotes recevant des effluents issus d’un bassin anaérobie de lagunage. Les résultats montrent des performances croissantes de 93 % à 95 % sur la DCO (Demande Chimique en Oxygène) et un abattement moyen sur la DBO5 (Demande Biochimique en Oxygène) atteignant 99 %, avec la colonisation progressive du massif de sable par la biomasse. Avec le substrat de coco les rendements moyens sur la DCO passent successivement de 15 % à 51 % lorsque les charges hydrauliques varient de 20 à 60 L•m-2•j-1, du fait de l’extraction de composés phénoliques du substrat. Cependant, il présente la même efficacité que le sable pour l’élimination de la pollution biodégradable. Les rendements en azote Kjeldahl sont de 75 % et 84 % pour le substrat de coco et le sable respectivement, alors que le filtrat issu du substrat de coco n’a donné que 7 mg•L-1 en moyenne de nitrates. Dans le même temps, les concentrations en nitrates atteignent 40 mg•L-1 pour le massif de sable. Ce comportement du substrat de coco pourrait être attribué à la formation de complexes entre composés azotés et les tanins issus de ce matériau.

Les bioréacteurs à membranes se sont largement développés ces dernières années en assainissement des eaux résiduaires urbaines. Malgré les avantages du procédé, le colmatage des membranes engendre des contraintes économiques liées aux coûts énergétiques et au remplacement prématuré des membranes. Différentes stratégies de limitation du colmatage sont mises en place, dont l’aération séquencée des membranes à l’aide de grosses bulles. Cependant, les mécanismes d’action de cette aération et l’hydrodynamique des réacteurs restent relativement méconnus, en particulier à l’échelle industrielle et en présence de boues. Un pilote semi-industriel de filtration membranaire a été conçu et installé sur l’unité de traitement des jus de Seine Aval. Ce pilote a permis d’étudier l’impact de l’aération sur les performances de filtration en couplant une analyse statistique (systèmes d’inférence floue) et une caractérisation de l’hydrodynamique du réacteur (tomographie de résistivité électrique). Des chemins préférentiels de passage des bulles ont été observés à faible débit d’air et forte concentration en matières en suspension à l’aide de la tomographie de résistivité électrique. Ces observations fournissent des éléments d’explication aux résultats de l’arbre de décision flou focalisé sur l’analyse de l’impact du débit d’air sur la dérive journalière de perméabilité. La concentration en matières en suspension des boues et la différence de demande chimique en oxygène entre le surnageant des boues et le perméat s’avèrent être les facteurs les plus impactants pour les conditions opératoires testées. Ils traduisent l’efficacité de l’aération, que ce soit en matière de répartition du champ de bulles et/ou de relargage d’éléments colmatants. Ces résultats invitent à considérer la régulation de l’aération en fonction des propriétés des boues dans les procédés industriels.

Afin de preserver les ressources en eau, le developpement de procedes qui permettent le traitement combine du carbone, de l'azote et du phosphore est necessaire. Dans ce but, les procedes biologiques sont largement utilises. La qualite et la quantite de la matiere organique de l'effluent ont une influence sur les performances de ces procedes. En effet, les bacteries denitrifiantes et dephosphatantes ont besoins d'une fraction de la matiere organique dite rapidement biodegradable. L'optimisation des performances demande la caracterisation de cette fraction. Ce travail propose le developpement de trois methodes de caracterisation. La premiere methode utilise un reacteur aere avec une biomasse en suspension. La consommation d'oxygene dissous est suivie et les donnees sont interpretees en utilisant un protocole d'estimation de parametres. Cette methode permet l'evaluation qualitative et quantitative de la matiere organique. Cependant, la precision des resultats depend du choix des parametres cinetiques et stchiometriques utilises. La deuxieme methode evalue la matiere organique a partir de la cinetique de denitrification d'un systeme a biomasse fixee. Une procedure discontinue et une procedure en continu ont ete testees. A ce stade, la methode en continu peut etre utilisee comme base pour le developpement d'un outil industriel en vue d'une utilisation sur le terrain. La troisieme methode evalue la matiere organique a partir de la cinetique de relargage du phosphore, dans un systeme a biomasse fixee. L'effluent est mis en contact avec la biomasse dans un systeme discontinu. Une equation de premier ordre est proposee pour decrire la cinetique de relargage du phosphore. La valeur de la constante de premier ordre est obtenue par estimation de parametres en utilisant les donnees de concentration en phosphate. Cette constante est utilisee comme parametre d'evaluation de la qualite de la matiere organique.

Le contexte réglementaire européen et français actuel impose des contraintes importantes sur la politique d’assainissement des petites collectivités. Les zones humides artificielles dédiées au traitement des eaux usées urbaines, et notamment les massifs filtrants verticaux, sont un outil efficace pour mener à bien cette politique. Ainsi, l’intérêt de la recherche sur ces techniques prometteuses s’est accentué ces dernières années. La modélisation mécaniste est une discipline en plein essor dans ce domaine. Le présent travail détaille le développement d’un modèle de transport réactif diphasique adapté aux massifs filtrants verticaux. L’oxygène est un facteur déterminant pour le fonctionnement de ces systèmes. Une étude permettant d’évaluer l’influence de leur conception et de leur exploitation sur les transferts d’oxygène est proposée. Les capacités de ré-oxygénation des filtres verticaux non colonisés sont évaluées à l’aide du modèle numérique. Dans la continuité de ces premiers résultats, l’interdépendance entre renouvellement d’oxygène et consommation bactérienne est abordée. Pour cela, un modèle de biodégradation aérobie adapté aux massifs filtrants verticaux est couplé au modèle de transport. Parallèlement à une meilleure compréhension des transferts d’oxygène, les résultats ouvrent la discussion sur les limites du modèle biologique adopté. De manière complémentaire à la modélisation, un dispositif expérimental visant à étudier le transport réactif des filtres verticaux non colonisés a été mis en place. Il ouvre la voie au calage du modèle numérique qui a été développé
Oxygen renewal, as a prominent phenomenon for aerobic bacterial activity, deeply impacts Vertical Flow Constructed Wetland (VFCW) treatment efficiency. We introduce a multiphase model able to simulate multi-component transfer in VFCWs. It is based on a two-phase flow module, and a transport module. The flow module can quantify both water and air velocities throughout the filter during operation. The reactive transport module follows dissolved and gaseous oxygen concentrations, and the transport of solutes such as ammonium and readily biodegradable COD (Chemical Oxygen Demand). The consumption of components is governed by Monod-type kinetics. Heterotrophic and autotrophic bacteria, which are responsible for COD and ammonium degradation respectively, are part of the model components. The kinetics are based on the Constructed Wetlands Model 1. The results from the simulation tool were compared with existing experimental data, and two kinds of operation with VFCWs were investigated. The authors show strong interplay between oxygen renewal and bacterial consumption in case of sequential batch feeding with transient flooding of surface. Oxygen renewal is essentially convection mediated in such operation, while convection is not significant in non-flooding operation. Simulated bacterial patterns are impacted by the operation, both quantitatively and spatially. From a modelling point of view, the authors highlight some limitations of the biological model : the description of bacterial lysis processes needs to be enhanced, as well as ammonium adsorption to organic matter

L'élimination des boues produites lors de l'épuration biologique des eaux usées fait partie des enjeux majeurs de la prochaine décennie. Les contraintes qui pèsent sur les filières classiques orientent les recherches vers des procédés de réduction de la production de boue au sein de la filière de traitement de l'eau. Ainsi, l'association entre une étape d'oxydation chimique par l'ozone et un traitement biologique par boues activées peut conduire à une réduction significative de la quantité de boue produite. Basée sur une double approche, expérimentale et de modélisation, l'analyse des mécanismes de la production de boue montre l'influence capitale des processus d'accumulation des matières organiques inertes particulaires provenant de l'effluent à traiter et issues du processus de décès. Si l'étape d'ozonation permet de rendre biodégradables ces fractions inertes, les simulations montrent qu'il est possible d'atteintre une réduction totale de la production de boue. Les essais discontinus d'ozonation de boue mettent en évidence une acion solubilisante de l'ozone sur la matière particulaire, une augmentation de la biodégradabilité et une inactivation significative des microorganismes. Les résultats obtenus permettent de construire un modèle d'action de l'ozone sur la boue qui, couplé au modèle du procédé biologique, permet de confirmer par la simulation l'intérêt du procédé combiné. Le couplage entre l'étape d'ozonation et le procédé biologique permet de supprimer la production de boue organique excédentaire et conduit à une réduction de la production de boue minérale. L'optimisation du mode d'apport de l'ozone apparaît déterminante pour garantir l'efficacité de l'étape d'ozonation. Ce travail met en évidence l'apparition d'un talon de DCO réfractaire dans l'effluent, l'amélioration des caractéristiques de décantation et le maintien des activités nitrifiantes. Il montre l'applicabilité de ce procédé et précises les conditions dans lesquelles il peut être mis en œuvre
Elimination of excess sludge produced by biological wastewater treatment is an important issue of the next decade. Due to the constraints inherent to the current practices for sludge disposal, research efforts are focused on processes that reduce sludge production simultaneously to treating wastewater. The association of a chemical oxidation step (with ozone) with an activated sludge process can lead to a significant reduction of sludge production. Experimental and simulation approaches, were employed to analyse the main mechanisms of sludge production. Results showed the major influence of the accumulation of particular inert organic compounds coming from the influent and from the decay of biomass. Il ozonation treatment improves the biodegradability of those compounds, simulations confirms that total reduction of excess sludge production could be reached. Batch experiments of sludge ozonation show the solubilising effect if ozone and also demonstrate the biodegradability improvements of the solubilised matter and significant inactivation of biomass. The obtained results allow generation of a simulation model on the effect of ozone on sludge. Using this model combined with the existing biological model confirms the potential of the combined process. Continuous experiments at pilot scale confirm that the association of ozonation treatment with an activated sludge process allows total reduction of excess organic sludge production and also leads to the reduction of mineral sludge production. The optimization of the way of applying ozone (dosage, treatment frequency) appears to be a key point to guarantee the efficiency of the ozonation treatment. The obtained data show that ozone treatment lead to the production of non settleable refractory COD in the effluent. Significant improvements in sludge settling characteristics and conservation of nitrifying activity are also observed. The results of this work confirm the applicability of the combined process

La dynamique des œstrogènes et de l'activité œstrogénique a été étudiée au niveau d'une station d'épuration en combinant des évaluations chimiques et biologiques. Le devenir des œstrogènes et de leur toxicité au cours de la méthanisation ou du compostage des boues a également pu être abordé grâce à la validation d'une méthode analytique. Enfin, les bactéries impliquées dans le mécanisme de biodégradation des œstrogènes ont été caractérisées via la combinaison de méthodes de microbiologie classique et moléculaire. Les œstrogènes et leur toxicité sont efficacement éliminés par biodégradation au cours du traitement des eaux usées urbaines. Bien que faible, les œstrogènes adsorbés sur les boues et leur toxicité associée persistent au cours de la méthanisation et du compostage. Les communautés dégradant les œstrogènes sont constituées de bactéries non cultivées ou déjà reconnues pour dégrader des œstrogènes et micropolluants. Brevundimonas diminuta est impliqué dans la dégradation de E2
The fate of estrogens and estrogenic activity through a sewage treatment plant were studied combining chemical and biological assessments. The behaviour of estrogens and endocrine-disrupting activities was also investigated during sludge anaerobic digestion or composting after validation of a specific analytical method. Finally, the bacteria involved in the degradation of estrogens were characterised using both classical and molecular microbiological methods. The estrogens and estrogenic activity are efficiently removed by biodegradation during urban sewage treatment. Despite slightly sorption of estrogens on sludge, persistence of these compounds and endocrine-disrupting activities was observed through anaerobic digestion and composting process. The estrogens-degrading consortia consist of until now uncultured species or bacteria already known to degrade estrogens or others organic pollutants. Brevundimonas diminuta was involved in the degradation of estradiol

Dans le contexte de la directive cadre européenne sur l'eau, nous nous sommes intéressés aux métaux dans les rejets urbains pour le risque écotoxicologique qu'ils représentent envers les milieux aquatiques naturels. Ce risque écotoxicologique dépend de la forme chimique des métaux donc de leur spéciation, qui reste encore difficile à déterminer dans des milieux complexes comme les rejets urbains. Le travail proposé vise donc à évaluer la spéciation des métaux dans les eaux résiduaires urbaines (ERU) et son évolution jusqu'au rejet dans les milieux aquatiques, notamment sous l'effet des stations d'épuration (STEP). Dans cette optique, la technique de gradient de diffusion en couche mince (DGT) a été évaluée comme outil pour l'étude de la spéciation des métaux dans les ERU. Cet outil a ensuite été utilisé sur divers échantillons prélevés sur le terrain afin de mesurer la fraction labile des métaux et d'évaluer l'impact des traitements en STEP sur cette dernière. De plus, diverses expériences réalisées en laboratoire ont permit d'évaluer le rôle de la biodégradation de la matière organique sur la spéciation des métaux lors du traitement des ERU par boues activées. Nous avons ainsi, d'une part, validé la technique DGT pour l'étude des ERU et, d'autre part, réalisé une première caractérisation de la fraction labile des métaux ainsi mesurée. Le travail réalisé en laboratoire montre que la biodégradation de la matière organique ne permet que l'élimination des ligands les plus forts, les ligands faibles étant éliminés lors du traitement par boues activées probablement par des phénomènes d'adsorption ou de floculation. Enfin, la mesure sur les échantillons prélevés sur le terrain montre que les STEP ont un effet variable sur la fraction labile qui ne semble pas dépendre du type de traitement utilisé ou du temps de séjours dans l'ouvrage
In the European water framework directive context, we have studied metals in urban wastewaters for their potential threat to natural water bodies. The ecotoxicological effects of metals strongly depend on their speciation, which is still difficult to determine in complex media such as wastewaters. This work aims to assess metal speciation in urban wastewaters and its evolution until wastewater discharge into receiving waters, particularly during the wastewater treatment process. In this way, the diffusive gradient in thin film technique (DGT) has been evaluated as a metal speciation tool for wastewaters. Then, this tool has been used to measured labile metal in various wastewater samples collected in various wastewater treatment plants. In addition, different laboratory experiments have been performed to assess organic matter biodegradtion effect on metal speciation during activated sludge treatment. We have validated the DGT technique for the study of metal speciation in urban wastewaters and a first characterisation of labile metals measured by DGT has been made. The laboratory work showed that organic matter biodegradation removes only stronger ligands, weak ligands being removed during activated sludge process probably through adsorption or flocculation processes. Measurements performed on field samples showed that wastewater treatment plant effect on labile metal was variable and does not seem to depend on the treatment process or residence time within the system

Les normes plus restrictives de rejets après traitement des eaux résiduaires urbaines, ainsi que l'obligation faite aux petites localités d'être équipées (d'ici 2005) de leur propre station d'épuration, entraînent le développement de nouveaux systèmes de dépollution. Le couplage de techniques membranaires au procédé de traitement biologique par boues activées apporte une solution à ces contraintes. L'étape de la clarification par décantation y est supprimée, et la possibilité d'opérer avec des boues âgées et fortement concentrées permet de réduire le volume des ouvrages. Le procédé de traitement avec les membranes directement immergées dans la boue activée représente la 2ème génération de ces systèmes de couplage, il succède au procédé dit à boucle externe et il apporte une simplification de mise en oeuvre et une réduction des coûts énergétiques. L'étude présente les conditions de fonctionnement du procédé de boues activées à membranes immergées (BAMI) tant sous l'aspect de l'épuration biologique que sous l'aspect des performances hydrauliques. Elle permet de définir des conditions opératoires permettant d'obtenir une élimination très poussée de la DCO et de l'azote, ainsi que des flux de perméat stables. La qualité bactériologique de l'eau traitée est satisfaisante. Le dispositif est insensible au phénomène de foisonnement, élimine les risques de perte des boues vers le milieu récepteur et par rapport à un traitement conventionnel, la production de boues en excès est réduite.

Dans une problématique de réduction des volumes de déchet, l’électro-compression (ou électro-déshydratation) apparaît être une technique efficace pour éliminer une grande partie de l’eau des boues résiduaires urbaines. Cette thèse de doctorat présente différentes contributions à l’étude de ce procédé appliqué à ce type de boues. Un lien entre les données cinétiques et énergétiques est établi par une étude expérimentale à l’échelle du laboratoire. D’autre part, un nouveau modèle relativement simple est proposé pour l’étude et la simulation de l’électro-compression et permet de mettre en avant les phénomènes prépondérants. Enfin, un protocole d’analyse ionique des filtrats et des tranches de gâteaux de boue a permis une étude de la migration des espèces chimiques au cours de l’électro-déshydratation
In the purpose to reduce waste amount, the electro-dewatering process is a promising technique to efficiently withdraw a large part of the water included in wastewater sludge. This PhD thesis contributes in various ways to the study of this technique. Lab-scale experiments showed correlations between dewatering kinetics and energy consumption of the process. Moreover, a new model, relatively simple, is proposed to study and simulate the process. This model highlights the main phenomena involved in the electro-dewatering. Finally, a study of the migration of chemical species during the dewatering process is carried out thanks to an analytical protocol measuring ions in filtrates and sludge slices.1

Cette étude s'attache à décrire et analyser les interactions liant les spécificités du milieu biologique d’un bioréacteur à membranes immergées (BAMI) et les phénomènes de colmatage. Le BAMI a été comparé avec un procédé à boues activées, tous deux alimentés avec la même eau résiduaire urbaine. Les performances d'épuration des deux procédés sont comparées dans les mêmes conditions opératoires et à différents âges de boues (10 à 110 jours). L'influence de la séparation membranaire et de l'âge des boues sur les caractéristiques des surnageants (polymères solubles, DCO) et des flocs (diamètre, dimension fractale, exopolymères liés, indice de boue, turbidité) a été soulignée. Les productions de boues des deux systèmes ont également été calculées et confrontées à celles prédites par différents modèles. Par ailleurs, les principaux mécanismes impliqués dans le colmatage à court terme et long terme ont été étudiés. Enfin, le rôle spécifique des protéines et polysaccharides du surnageant des boues dans la structuration du dépôt de filtration a été mis en évidence
This study describes and analyses the interactions which exist between the biological medium specificities coming from a submerged Membrane Bioreactor (MBR) and fouling. The MBR was compared with an activated sludge process, both fed with the same urban wastewater. The purification efficiencies of both processes were compared for the same operating conditions and at different sludge ages. The influence of membrane and sludge age on supernatant (soluble polymer, COD) and floc characteristics (diameter, fractal dimension, bound exopolymer, sludge volume index, turbidity) was analysed. Sludge production for both systems were calculated and confronted with models. Moreover, we mentioned the main mechanisms implied in long and short term fouling. Finally, the specific role of soluble/colloidal proteins and polysaccharides on deposit structuring was underlined

Les procédés à biomasse fixée sont utilisés pour la dégradation simultanée des pollutions carbonées et azotées. Cette biodégradation est basée sur le fonctionnement d’un consortium bactérien complexe, composé de bactéries autotrophes et hétérotrophes, associées sous forme de biofilm. La coexistence de ces deux populations résulte d’un phénomène de compétition pour leurs substrats communs (oxygène et azote) et pour l’espace. Elle est à l’origine de nombreux disfonctionnements des réacteurs, et les mécanismes qui la gouvernent ne sont aujourd’hui pas clairement identifiés. A cet effet, trois aspects ont été abordés dans ce travail : (i) le développement d’un modèle de croissance, (ii) la caractérisation du détachement et son influence sur la compétition, (iii) et l’analyse de l’impact des conditions de croissance sur la compétition. Les principaux résultats sont les suivants : un modèle 1-D qualitatif, dont la structure permet de prédire les dynamiques de populations et les performances épuratoires du système biofilm, a été développé. Ce modèle est multi-espèces et multi-substrats. Un détachement surfacique continu est initialement considéré. Une étude expérimentale du détachement a été réalisée. Différents biofilms ont été développés sous des conditions environnementales variées et contrastées, au sein de réacteurs de Couette-Taylor. L’érosion a été redéfinie comme le couplage entre un détachement surfacique continu de petites particules et des évènements volumiques dynamiques détachant de larges particules. A l’aide du modèle, différents modes de détachement, en termes de fractions d’épaisseurs détachées et de fréquences d’évènements, ont été testés. Le mode de détachement fixe la croissance hétérotrophique à la surface du biofilm, et par conséquent la disponibilité de l’oxygène dans les couches internes du biofilm. Si l’oxygène est limitant, la croissance des bactéries autotrophes est limitée voire impossible. Le mode de détachement, associé au degré de limitation en oxygène, gouverne donc directement les capacités de coexistence entre les différentes populations fonctionnelles. Différentes observations expérimentales, réalisées sous des conditions de limitation en oxygène, démontrent cependant que l’avantage accordé par le modèle à la croissance hétérotrophique est surestimé. L’hypothèse d’une dénitrification au sein de clusters anoxiques denses, présents dans la zone aérobie du biofilm, a été émise. Des phénomènes de « détachement spécifique des bactéries hétérotrophes » et de « convection particulaire » ont été évalués à l’aide du modèle. Ces deux processus, en limitant l’activité exogène hétérotrophique à la surface du biofilm, ont un impact favorable sur la croissance autotrophique. Une stratification stricte des fonctionnalités est régulièrement prédite par les modèles 1-D qui considèrent une représentation simplifiée des phénomènes biologiques et physiques. Cette étude soulève finalement l’interrogation suivante : Cette stratification stricte ne fausse-t-elle pas la prédiction du résultat de la compétition entre bactéries autotrophes et hétérotrophes sous certaines conditions ?
Biofim reactors are used in wastewater treatment for simultaneous COD and nitrogen removal. This biological process is based on a complex bacterial consortium, composed of both autotrophic and heterotrophic bacteria, associated in “biofilm”. The coexistence of these populations results of a microbial competition for both the substrates and the space. This microbial competition potentially leads to process failures as decreases of the removal rates, and thus its mechanisms must be understood. In this way, the objectives of this work were: (i) to develop a model of biofilm growth, (ii) to characterize the detachment mode and its impact on the competition, (iii) and to analyze the impact of the environmental growth conditions on the competition. The main results of this work are the following : a 1-D biofilm model, since the structure allows predicting population dynamics and the biofilm reactor performances, was developed. This is a multi-species and multi-substrates model, which assumes a continuous surface detachment. An experimental study of the detachment mode was performed. Different biofilms were grown under different various and contrasted growth conditions in Couette-Taylor Reactors. Erosion process was defined as a continuous surface detachment of small particles coupled with dynamic volume events detaching large particles. Using the model, different detachment modes in terms of fraction of biofilm thickness detached and in terms of frequency were tested. The dynamic volume events determine the heterotrophic growth at the biofilm surface, and thus the availability of oxygen inside the biofilm. If oxygen is limiting in the inner zone of the biofilm, the autotrophic growth is limited or impossible. By impacting the oxygen availability, the dynamic volume events consequently govern the result of the autotrophic-heterotrophic competition. Under oxygen-limiting conditions, the comparison between numerical and experimental results shows that a simple 1-D model overpredicts the advantage of the heterotrophic growth. The impact of more complex processes on autotrophic-heterotrophic coexistence was thus evaluated. Specific heterotrophic detachment and particulate convection were shown to favour the autotrophic growth and thus the autotrophic-heterotrophic coexistence. Finally, 1-D models considering simple biological and physical processes leads to a strict stratification of the functionalities. The following question is highlighted by this work: Is the strict stratification of the microbial functionalities predicted by simple 1-D model can potentially change the result of the autotrophic-heterotrophic competition ?

Le travail présenté dans cet ouvrage concerne le développement d'une méthodologie d'optimisation des lois de contrôle/commande des stations d'épuration des eaux usées urbaines. Ce travail est basé sur l'utilisation des modèles des procédés de traitement afin de réaliser la simulation de leur fonctionnement. Ces simulations sont utilisées par un algorithme d'optimisation multi-objectifs, NSGA-II. Cet algorithme d'optimisation permet la recherche des solutions optimales en fonction des différents objectifs considérés (qualité de l'effluent, consommation énergétique, etc. ). Il permet également la visualisation claire des compromis entre diverses lois de contrôle ainsi que la détermination de leurs domaines d'application respectifs. Dans une première partie de cet ouvrage, la méthodologie est développée autour de quatre axes principaux : la conception d'une méthode de simulation fiable et robuste, le choix des jeux de données d'entrée à utiliser en simulation, le choix des objectifs et contraintes à considérer et enfin l'évaluation des performances et de la robustesse à long terme des lois de contrôles. L'application de cette méthodologie sur le cas d'école du BSM1 est réalisée dans cette première partie. Dans une seconde partie, la méthodologie développée est appliquée sur le cas réel de l'usine de dépollution de Cambrai. Cette application a nécessité le développement de nouveaux aspects que sont la génération de données d'entrée dynamiques à partir des données d'auto-surveillance de la station d'épuration et la simulation des lois de contrôles basées sur une mesure du potentiel redox. Cette application a permis de visualiser les compromis entre la loi de contrôle actuellement utilisée sur site et une nouvelle loi envisagée. Il a ainsi été possible d'évaluer le gain de performances à attendre de ce changement
The work presented in this thesis concerns the development of an optimization methodology for control laws of wastewater treatment plants. This work is based on the use of WWTP process models in order to simulate their operation. These simulations are used by a multi-objective genetic algorithm, NSGA-II. This optimization algorithm allows the search of optimal solutions when multiple objectives are considered (e. G. The effluent quality, energy consumption, etc. ). It also enables the visualisation of compromises arising between various control laws as well as their respective best domains of application. In a first part of this work, the optimization methodology in developed around four main axes: the conception of a robust simulation procedure, the choice of input datasets for the simulations, the choice of objectives and constraints to consider and the evaluation of long term performances and robustness of control laws. This methodology is then applied on the literature case study of BSM1. In a second part of the work, the methodology is applied on the real case study of Cambrai wastewater treatment plant. This application includes the development of new aspects like the generation of dynamic input datasets out of daily monitoring measurements of the wastewater treatment plant, as well as the simulation of control laws based on oxydo-reduction potential measurements. This application allowed to analyze the compromises between the control law currently tested on the wastewater treatment plant and a new control law foreseen. The benefits of this modification could hence be clearly observed