Littérature scientifique sur le sujet « Station de 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 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.

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.

L’étude présente un état des lieux de la qualité des eaux résiduaires issues du centre d’oncologie de l’institut universitaire de Toulouse (IUCT-O). Cette étude est destinée à évaluer l’impact potentiel des molécules déversées par son rejet en Garonne après le traitement par la station d’épuration, pour aider à la décision quant à la nécessité d’implanter une solution de traitement des eaux à la sortie du site de l’Oncopole. Pour se faire, une cartographie des molécules pharmaceutiques, et en particulier antibiotiques et anticancéreuses, présentes dans les eaux usées de l’IUCT-O a été menée. Elle s’est appuyée sur une campagne de prélèvements sur deux semaines. Les résultats sont exprimés successivement en termes de détection, de quantification pour les concentrations et les flux médicamenteux. Sur la base de ces résultats, une analyse des impacts potentiels des eaux usées de l’établissement au niveau de la station d’épuration de Ginestous, exutoire des eaux de l’IUCT-O, puis de son rejet en Garonne est menée par l’appréciation des ratios usuels de concentration dans l’environnement versus la concentration minimale sans effet pour une molécule donnée. Ainsi, la méthode choisie a permis de détecter 113 molécules, pour une concentration cumulée totale de 2 mg/L (due pour 75 % à des analgésiques et pour 10 % à des stimulants). L’ordre de grandeur des concentrations cumulées en antibiotiques est compris entre 50 à 150 μg/L, tandis que pour les anticancéreux il se situe entre quelques μg/L et 45 μg/L. Les données de flux urbains étaient disponibles pour seulement 13 molécules. Parmi elles, une contribution majeure en masse du cyclophosphamide a pu être mise en évidence. L’application des ratios concentration prédite dans l’environnement/concentration prédite sans effet (PEC/PNEC) n’a cependant pas fait ressortir de risque majeur sur aucune de ces molécules, cela étant essentiellement dû à un facteur de dilution important.

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 ».

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.

L'article présente brièvement l'état de l'épuration des effluents des collectivités en France et au Québec. Il souligne ensuite quelques changements importants intervenus depuis dix ans dans le monde grâce aux progrès de la recherche et qui pourraient marquer l'avenir. En France, 95 % des agglomérations de plus de 10 000 équivalents-habitants disposent d'une station d'épuration. Le rythme de construction a atteint 730 installations nouvelles dans l'année 1976 mais il est redescendu à moins de 300/an. Sur les 11 310 stations de plus de 200 équivalents-habitants recensées, 5 % réalisent seulement un traitement primaire et la moitié en nombre, représentant plus de 60 % de la capacité de traitement utilisent le procédé des boues activées. Les investissements à réaliser entre 1994 et 2005 pour satisfaire aux exigences de la directive européenne du 21 mai 1991 sont évalués à environ 36 milliards de francs français, correspondant à la création de capacités de traitement supplémentaires de 17 millions d'équivalents-habitants et à des améliorations plus ou moins importantes d'un grand nombre de stations existantes. Au Québec, la construction des stations d'épuration s'est faite essentiellement dans les années 80 et 90. Aujourd'hui, près de 80 % de la population est desservie par des installations d'épuration, soit environ 4,9 millions d'habitants pour un débit hydraulique de 5,3 millions de m3/j. Parmi les 450 ouvrages municipaux ceux des Communautés Urbaines de Montréal et de Québec représentent, à eux seuls, près de 60 % de la capacité installée. Les stations physico-chimiques, bien que peu nombreuses, sont les plus importantes (6 stations pour 2,28 millions d'habitants) suivies par les boues activées (40 stations pour 0,69 million d'habitants) et la biofiltration (9 stations pour 0,75 million d'habitants). Environ 320 stations, de dimension plus modeste utilisent des étangs aérés, desservant en moyenne une population de 3 500 habitants. Sur le plan de l'évolution des techniques, la décennie écoulée a vu apparaître ou se confirmer des évolutions qui marqueront sans doute profondément la conception et l'exploitation des stations d'épuration dans les années à venir : - l'objectif maintenant presque généralisé d'éliminer les nutriments azote et phosphore et le développement rapide des techniques correspondantes; - la prise de conscience de l'importance des flux polluants véhiculés par les eaux pluviales et un début d'adaptation des stations d'épuration; - le développement limité mais réel des traitements anaérobies qui ont survécu à la démobilisation des surlendemains de la crise énergétique; - le fort développement des systèmes d'épuration biologique à culture fixée et notamment des biofiltres; - l'apparition prometteuse des membranes dans les systèmes d'épuration biologique permettant d'envisager de nouveaux objectifs de traitement; - la prise en compte de la fiabilité des systèmes d'épuration avec un poids de plus en plus important par rapport aux performances de pointe - une vision plus intégrée de la prévention des pollutions tant dans l'industrie (technologies propres) que dans les agglomérations (gestion intégrée de l'ensemble réseau-station d'épuration).

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.

Ce travail porte sur la contamination en biocides des eaux urbaines et des milieux aquatiques superficiels soumis à une forte pression urbaine afin d’évaluer la contribution des rejets urbains et de proposer des solutions de réduction efficaces, globales et concertées. Dans ce but, des eaux usées brutes et traitées en station d’épuration, des rejets de déversoirs d’orage ainsi que des eaux de surface en amont et en aval de l’agglomération parisienne ont été échantillonnées. Dix-huit biocides ont été quantifiés dans la majorité des échantillons. L’analyse de la dynamique à long terme des concentrations de biocides en Seine a montré que même si l’interdiction de plusieurs molécules en tant que pesticides avait eu un impact notable sur la contamination des eaux de surface, elle n’avait pas entièrement éliminé les sources de ces composés. En l’occurrence, certains biocides ont été mesurés en rivière à des concentrations pouvant présenter un risque élevé pour les écosystèmes aquatiques d’après leur comparaison aux concentrations prédites sans effet. L’une des causes de leur présence réside dans les sources urbaines de biocides, dont les flux ont pu être calculés en caractérisant les incertitudes associées par une approche stochastique de type Monte-Carlo. Une augmentation des flux de biocides entre des points amont et aval de la zone d’étude a été constatée pour quatre molécules, en partie expliquée par la contribution des rejets urbains aux transferts de biocides vers les eaux réceptrices. Nos résultats permettent d’envisager des solutions de réduction à trois échelles : les émissions de biocides, leur transport dans le réseau d’assainissement et leur traitement avant rejet.

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

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

Cette thèse s'inscrit dans la phase 5 du programme « OPUR : Observatoire des Polluants Urbains » et a pour objectif d'améliorer la compréhension et l’élimination des micropolluants pharmaceutiques (résidus de médicaments) le long des filières de traitement des eaux résiduaires urbaines. La présence de micropolluants pharmaceutiques dans les eaux résiduaires urbaines est principalement due à la consommation répandue de médicaments dans les zones urbaines, en particulier par le biais de l'excrétion humaine. L’élimination insuffisante de ces micropolluants pharmaceutiques par les stations d'épuration est la principale raison de leur présence dans les milieux aquatiques. Afin de réduire les risques liés à la présence de ces micropolluants pour la faune et la flore aquatiques, l'ajout d'un traitement tertiaire (avancé) aux stations d'épuration conventionnelles est l'une des solutions possibles et permettrait de diminuer la concentration de ces polluants émergents dans le rejet des stations d’épuration. L'importance de cette étude réside dans l'utilisation de l'acide performique, un désinfectant employé pour améliorer la qualité des effluents rejetés par les stations d'épuration dans la Seine en préparation des Jeux olympiques et paralympiques de 2024 qui se tiendront à Paris. Ainsi, cette étude vise à optimiser les conditions d'utilisation de ce désinfectant, que ce soit en utilisation individuelle ou en couplage avec d’autres oxydants sous forme de procédé d’oxydation avancée, en vue de l'élimination des micropolluants pharmaceutiques. Les diverses expérimentations menées, d'abord en utilisant de l'eau ultrapure, ont révélé la réactivité marquée mais sélective de l'acide performique envers les composés organiques contenant du soufre réduit ou les amines tertiaires déprotonées, le mécanisme d’oxydation principal étant le transfert d'un atome d'oxygène. Dans les eaux résiduaires urbaines, l'acide performique est relativement réactif avec les micropolluants pharmaceutiques étudiés et leur élimination dépend fortement des différents constituants présents dans les effluents, certains pouvant activer l'acide performique et engendrer des espèces réactives capables de réduire un nombre plus important de micropolluants pharmaceutiques. Les résultats ont également montré que l’acide performique est efficace pour éliminer les micropolluants organiques polaires souvent moins bien éliminés par les procédés classiques. Le couplage de l'acide performique avec la photolyse UV-C ou l'ozone a significativement amélioré l'élimination des micropolluants pharmaceutiques résistants à l'acide performique
This thesis is part of phase 5 of the "OPUR: Urban Pollutants Observatory" program and aims to enhance the understanding and elimination of pharmaceuticals (pharmaceutical residues) in the context of urban wastewater treatment processes. The presence of pharmaceuticals in urban wastewater is primarily attributed to widespread drug use in urban areas, particularly through human excretion. The insufficient removal of these pharmaceuticals by wastewater treatment plants is the main cause of their presence in aquatic environments.To mitigate the risks associated with these micropollutants for aquatic flora and fauna, the addition of an advanced (tertiary) treatment to conventional wastewater treatment plants is one of the possible solutions. This approach would result in the reduction of the concentration of these emerging micropollutants in wastewater plant effluents.The significance of this study lies in the use of performic acid, a disinfectant employed to improve the quality of effluent discharged in the Seine River by the wastewater treatment plants in preparation for the 2024 Olympic and Paralympic Games to be held in Paris. Thus, this study aims to optimize the conditions for using this disinfectant, either individually or in conjunction with other oxidants in tertiary (advanced) oxidation processes, for the removal of pharmaceuticals.Various experiments, initially conducted using deionized water, revealed the pronounced yet selective reactivity of performic acid towards organic compounds containing reduced sulfur or deprotonated tertiary amines, with the primary oxidation mechanism involving the transfer of an oxygen atom.In urban wastewater, performic acid exhibits relatively high reactivity with the pharmaceuticals under investigation, and their removal is significantly influenced by the diverse constituents present in the effluent. Some of these constituents could activate performic acid, thereby generating reactive species that can effectively reduce a greater number of pharmaceuticals. Furthermore, the results demonstrate the efficacy of performic acid in eliminating polar organic micropollutants, a task often challenging for conventional treatment processes. The combination of performic acid with UV-C photolysis or ozone significantly improved the removal of pharmaceuticals resistant to performic acid alone

L'infiltration-percolation est un procede qui consiste a infiltrer l'eau usee urbaine a travers un massif filtrant sableux en place ou rapporte. L'epuration s'exprime par des phenomenes physiques, chimiques et biologiques suivant la profondeur du filtre. La charge appliquee sur les champs d'epandage (systemes precurseurs des massifs d'infiltration), qui etait voisine de 10 litres/m2, atteint 200 a 300 litres/m2 dans les bassins d'infiltration sur sable. Les essais ont ete realises a grande echelle et durant une longue duree au criter, au create et a la caesb (bresil). Les rendements d'elimination de la pollution carbonee (dco et dbo5) atteint 70 a 95%, on reduit le nitrogene kjeldahl (ntk) et on nitrifie l'ammonium (n-nh4#+n-no3#-). Les bassins d'infiltration ont ete sensibles au phenomene de colmatage du a une surcharge en mes ou a l'accumulation des mes apres plusieurs bachees. C'est le facteur limitant du systeme. L'optimisation consiste a un pretraitement pousse de l'eau brute pour prevenir les risques de colmatage. Le maintien de la capacite de reoxygenation du massif filtrant et le controle du phenomene du colmatage sont les problemes principaux rencontres dans l'exploitation de ce type d'installation

Malgré le fait que les bioréacteurs à membranes (BRM) soient largement appliqués au traitement des eaux usées, l'étude approfondie du vieillissement des matériaux membranaires dans les conditions d'exploitation des BRM à l'échelle industrielle est nécessaire afin de comprendre et anticiper celui-ci. Ainsi, l'objectif de ce travail vise à (i) comprendre l'action chimique de l'hypochlorite de sodium sur les fibres creuses commerciales de polyfluorure de vinylidène (PVDF)/polyvinylpyrrolidone (PVP) utilisées dans les BRM et (ii) décrire le vieillissement dans les BRMs traitant des eaux usées urbaines, sur la base de la caractérisation de membranes prélevées sur site et des indicateurs d'exploitation à l'échelle industrielle. Pour cela, des membranes ZeeWeed® 500D ont été vieillies à l'échelle laboratoire par trempage dans une solution d'hypochlorite de sodium (1000 ppm et pH 9.0) similaires aux conditions de nettoyage à l'échelle industrielle. Par ailleurs, des prélèvements de membranes ont été effectués entre 2016 et 2021 au sein des cellules membranaires de deux stations de traitement des eaux résiduaires urbaines (de capacités respectives de 50 000 et 300 000 m3/j). Les données d'exploitation ont été collectées et analysées en parallèle. Les fibres creuses vieillies à l'échelle laboratoire et à l'échelle industrielle ont été caractérisées à l'aide de méthodes analytiques similaires et comparées en considérant leur dose d'exposition au chlore (C x t). De grandes différences ont été trouvées entre le vieillissement aux deux échelles. À l'échelle laboratoire, les membranes ont présenté des propriétés mécaniques stables. Trois phases distinctes ont été observées pour l'évolution de la perméabilité intrinsèque avec une augmentation jusqu'à une dose de 78 000 ppm.h (+ 90% de la perméabilité initiale) en raison de la dégradation de la PVP et de la formation de pores de petite taille (diamètre < 20 nm), suivi d'une diminution jusqu'à retourner à la perméabilité initiale (pour un 78 000 ppm.h < C x t < 150 000 ppm.h) en raison d'une décroissance de la porosité, probablement due à une restructuration des chaines de PVDF. Pour les C x t > 150 000 ppm.h, la perméabilité reste relativement constante autour de sa valeur initiale. À l'échelle industrielle, une diminution des propriétés mécaniques est observée en lien avec les conditions dynamiques des BRMs (filtration, aération, rétrolavages, etc.). De plus, une augmentation de la perméabilité est également observée (C x t < 98 000 ppm.h) en raison d'une oxydation/délogement plus prononcé des molécules de PVP en comparaison des membranes vieillies au laboratoire (25% vs 40% de la teneur initiale, respectivement), conduisant à une porosité plus élevée et à l'apparition de pores de plus grande taille (diamètre > 40 nm). Ces changements ont favorisé un colmatage irréversible important, en comparaison des échantillons issus des vieillissements à l'échelle laboratoire. A l'échelle industrielle, l'indice de perméabilité (représentant le rapport flux de perméat/pression transmembranaire) mesuré après chaque nettoyage intensif diminue de l'ordre de 20% sur l'ensemble de la période de suivi, pour les deux installations étudiées.[...]
While membrane bioreactors (MBR) have been broadly applied to wastewater treatment, a comprehensive study of the aging of membrane materials under operating conditions of MBR at full-scale is necessary in order to understand and to anticipate it. Thus, the present research aim (i) to analyse the chemical action of sodium hypochlorite to commercial polyvinylidene difluoride (PVDF)/Polyvinylpyrrolidone (PVP) hollow fibers used in MBR, (ii) to describe membrane ageing of such materials in urban wastewater full-scale MBR based on a coupled characterization of harvested membranes and full-scale process indicators. To that end, ZeeWeed® 500D membranes were aged at bench-scale by single soaking in hypochlorite solution at a concentration (1000 ppm) and pH (9.0) similar to MBR cleaning protocols. In addition, membranes were sampled between 2016 and 2021 from modules from two urban wastewater treatment plants (capacities of 50,000 m3/d and 300,000 m3/d, respectively). Simultaneously, process data were collected and analyzed. Both bench-scale and full-scale aged hollow-fibers were characterized using similar analytical methods and compared considering the chlorine exposure dose (C x t). Significant differences were found between ageing mechanisms at both scales. At bench-scale, membranes presented stable mechanical properties. Three distinctive phases were observed for the changes on intrinsic permeability with an initial increasing phase up to a C x t of 78,000 ppm.h (+ 90% with respect to the initial permeability), because of hydrophilic agent degradation and the formation of small pores (diameter < 20 nm). Then, a decreasing phase is observed (from 78,000 ppm.h to 150,000 ppm.h), caused by a decline in porosity, likely due to a restructuration of PVDF chains. After 150,000 ppm.h, intrinsic permeability seemed to fluctuate around its initial values. At full-scale, a decline in mechanical properties is highlighted, probably linked to the dynamic conditions in the MBR (i.e. filtration, aeration and backwashing). Moreover, an increase in permeability is observed during the studied period (< 98,000 ppm.h) because of a more pronounced oxidation/dislodgement of PVP molecules (25% vs 40% from the initial PVP content, for full- and bench-scale respectively) leading to a higher porosity and the appearance of bigger pores (diameter > 40 nm). These changes favored irreversible fouling in contrary to bench-scale ageing. At full-scale, permeability index (the ratio of permeate flux and transmembrane pressure during the process) after each cleaning-in-place protocol decreases to around 20% over the studied period for both facilities. This decline is well correlated to the PVP content and intrinsic permeability, allowing the determination of key indicators to monitor membrane ageing. This study showed that understanding the mechanisms behind the action of NaOCl on supported PVDF membranes may not represent what actually occurs at full-scale operation. A non-negligible contribution of filtration conditions, mechanical stress due to aeration and backwashes, and residual fouling, specific to onsite operating conditions, may significantly change ageing mechanisms. Continuous autopsies of harvested fibers over the years and monitoring consistent full-scale operating indicators are still needed

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.

L'OXYDATION EN VOIE HUMIDE A L'OXYGENE PUR EST ETUDIEE POUR REPONDRE AU PROBLEME D'ACTUALITE DU TRAITEMENT DES BOUES RESIDUAIRES URBAINES. L'ETUDE DE CE PROCEDE EST REALISEE EN REACTEUR DISCONTINU DE LABORATOIRE, EN REACTEUR CONTINU DE LABORATOIRE ET LORS D'ESSAIS SUR UN PROTOTYPE INDUSTRIEL DE CAPACITE 500 L/H ET POUR DES TEMPERATURES COMPRISES ENTRE 220°c ET 300°c. IL RESSORT DE L'ENSEMBLE DES RESULTATS OBSERVES LORS DU TRAITEMENT DE 7 BOUES URBAINES DIFFERENTES QUE PLUS LA TEMPERATURE DE TRAITEMENT EST ELEVEE, PLUS LA MINERALISATION DES SOUS-PRODUITS EST IMPORTANTE ET LEUR TRAITEMENT AVANT EVACUATION AISEE. DE PLUS, AU DESSUS DE 260°c, LA DESTRUCTION DES COMPOSES GRAS SUPPRIME LES PHENOMENES DE MOUSSAGE. A 300\C, LE TEMPS DE TRAITEMENT PEUT ETRE REDUIT A ENVIRON 30 MIN. ENSUITE, DES PROCEDES DE CONVERSION DE L'AZOTE AMMONIACAL RESIDUEL EN AZOTE MOLECULAIRE SONT ETUDIES AFIN DE PERMETTRE LE SEUL RECYCLAGE DES COMPOSES ORGANIQUES BIODEGRADABLES ISSUS DE L'OXYDATION ET PERMETTRE L'INTEGRATION DE CE PROCEDE DANS LES STATIONS D'EPURATION EXISTANTES TOUT EN GARANTISSANT LA FIABILITE DE LEUR FONCTIONNEMENT. DANS LE CAS DU DEGAZAGE DE L'AMMONIAQUE COUPLE A UNE OXYDATION CATALYTIQUE, LE DEGAZAGE DE L'AMMONIAQUE DOIT S'EFFECTUER A UNE TEMPERATURE INFERIEURE A 100°c ET AVEC AJOUT DE SOUDE AFIN DE STRIPPER SELECTIVEMENT L'AMMONIAQUE. LE TRAITEMENT BIOLOGIQUE PAR NITRIFICATION ET DENITRIFICATION EN BASSIN SPECIFIQUE REPOND EGALEMENT AUX EXIGENCES DE TRAITEMENT ET D'INTEGRATION DE CE PROCEDE MAIS NECESSITE L'AJOUT D'UN COMPLEMENT DE SUBSTRAT ORGANIQUE BIODEGRADABLE AFIN QUE L'ELIMINATION DES NITRATES PRODUITS SOIT TOTALE. CE TRAVAIL A PERMIS DE LEVER UN NOMBRE SIGNIFICATIF D'OBSTACLES SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES ET S'INSCRIT DANS LE CADRE DU DEVELOPPEMENT DU PROCEDE MINERALIS

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

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.