Academic literature on the topic 'Eau – Épuration – Modèles mathématiques'

La dépollution des eaux usées par les boues activées a été progressivement maîtrisée pour permettre de traiter non seulement les composés carbonés mais aussi l'azote et le phosphore. Parallèlement, des modèles mathématiques ont été développés pour représenter les processus complexes impliqués par l'activité de la biomasse. L'aboutissement de ces modèles à une description complète du traitement du carbone et de l'azote par boue activées a été apporté avec le modèle ASM1 (1987). Ce modèle, ainsi que ceux qui l'ont suivi sont désormais intégrés à des logiciels de simulation qui sont de véritables outils de dimensionnement et d'aide à la gestion pour les stations d'épuration. Cependant l'utilisation de la simulation dans le domaine des eaux usées requiert encore un niveau d'expertise élevé. De plus la recherche doit se poursuivre tant sur le plan du développement des modèles que sur les protocoles qui permettent leur utilisation pertinente. C'est dans ce contexte que cette thèse a été réalisée, avec les buts parallèles d'actualiser les recommandations du Cemagref pour le dimensionnement et la gestion des stations d'épuration en France, et de participer à la recherche internationale qui est actuellement représentée par le groupe de travail IWA “Guidelines for Use of Activated Sludge Models”. Ce document présente donc le traitement de l'azote par boues activées et les modèles qui y sont associés. Le modèle ASM1 a été sélectionné pour une étude sur site réel. Cette étude de 22 mois a eu pour objectif d'obtenir un calage des paramètres du modèle. Les caractéristiques du site réel ont fortement influencé le développement des méthodes de suivi avec un protocole spécifique aux systèmes d'aération intermittente. Parallèlement, des tests complémentaires en laboratoire et un protocole propre au calage du modèle et à sa validation ont été élaborés. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer d'une part la robustesse d'un calage et d'autre part la capacité du modèle à représenter le fonctionnement réel de la station, notamment lorsque des contraintes fortes comme une inhibition de la nitrification sont survenues. Les connaissances acquises lors de l'étude sur site réel ont ensuite été valorisées par des travaux de simulation sur des " scénarios avancés ". Ces scénarios ont permis d'appréhender l'apport de la simulation par rapport aux méthodes de dimensionnement conventionnelles. Ils ont également permis d'étudier de manière approfondie les mécanismes du modèle et leurs limitations. Enfin des scénarios prospectifs ont amené à discuter différentes options de dimensionnement et de gestion face à des situations de crise (problèmes de gestion de la boue, temps de pluie ou inhibition)
Wastewater treatment by activated sludge was progressively improved in order to remove not only carbonaceous pollutants but also nitrogen and phosphorus. In parallel, mathematical models were developed to represent the complex processes resulting from the biomass activity. This led to the complete description of carbon and nitrogen removal by the Activated Sludge Model n°1 (ASM1, 1987). This model, and all the following ones, are nowadays implemented in simulation software and used as design and operation support tools. Nevertheless the use of simulation in the wastewater treatment field requires high expertise. Furthermore, research must be continued on both models development and protocol for their calibration. In this context the PhD was carried out with the goals of updating Cemagref's recommendations for design and operation of French wastewater treatment plants, and participating to the international research presently carried out by the IWA task group “Guidelines for Use of Activated Sludge Models”. This document first introduces nitrogen removal by activated sludge and the corresponding models. ASM1 was selected for a full-scale survey. This 22-month study aimed at obtaining a calibration of the model parameters. Site characteristics have strongly influenced the development of monitoring methods and calibration/validation procedures adapted for intermittent aeration system. In parallel, laboratory experiments were performed to determine additional model parameters. The results allowed the evaluation of both the model robustness through several calibration campaigns and its capacity to represent real operation of the plant, especially under strong constraints such as nitrification inhibition. This modelling experience with full-scale data was used to simulate “advanced scenarios”. These scenarios aimed at understanding the advantages of simulation compared to conventional design methods. They also allowed deeper assessment of the model mechanisms and limitations. Finally, prospective scenarios compare several design and operation strategies when facing crisis event, such as erratic sludge wastage, rain events, or inhibition of nitrification

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

La biofiltration des eaux usées est un procédé de traitement par biomasse fixe fréquemment utilisé dans certains pays d’Europe (France, Allemagne) et retrouvé dans quelques villes du Canada. Celui-ci consiste à faire passer l’eau à traiter au travers d’un lit de garnissage qui filtre les matières en suspension et sur lequel croissent les bactéries épuratrices se nourrissant de la pollution. Cette accumulation graduelle de biomasse et de particules entraine par contre une augmentation de la pression d’injection nécessaire pour effectuer le traitement. Lorsqu’une certaine pression limite est atteinte, le traitement doit être arrêté pendant que le biofiltre est lavé pour décrocher une partie du biofilm présent sur le média. Les nombreux phénomènes impliqués dans ce type de traitement font que la biofiltration est un procédé difficile à modéliser de manière complète et que la plupart des travaux sur le sujet ne se concentrent que sur une partie de ces phénomènes. Dans cette optique, des travaux de modélisation visant à simuler à la fois l’enlèvement de la pollution et l’évolution de la perte de charge durant le traitement des eaux usées par biofiltration sont réalisés. Un modèle complet est d’abord construit dans le logiciel Matlab®. Plusieurs jeux de données différents décrivant le comportement du procédé sur de courtes et de longues périodes de temps sont ensuite utilisés pour calibrer le modèle. La calibration est effectuée séparément sur trois types de traitement réalisés sur des usines à taille réelle : traitement secondaire, nitrification tertiaire et post-dénitrification. Les résultats de calibration montrent qu’il est possible dans la plupart des cas d’obtenir des prédictions satisfaisantes à la fois sur les concentrations de polluants à l’effluent des biofiltres et sur les pertes de charge engendrées durant le traitement. Quelques améliorations au modèle par rapport à la filtration sont à envisager, mais globalement les prédictions suivent bien les tendances observées. Les résultats obtenus permettent d’envisager la possibilité de prendre en compte à la fois l’efficacité du traitement et la perte de charge lors de l’utilisation d’un modèle pour l’optimisation, l’analyse de scénarios ou encore l’aide à l’élaboration de stratégies de contrôle d’un procédé par biofiltration.
Biofiltration of wastewater is a fixed-film treatment process which is frequently used in some European countries (France, Germany) and can also be found in a few Canadian cities. It consists in pumping the wastewater through a bed of media on which the purifying bacteria grow and consume the nutrients contained in the water, and which captures and retains suspended solids. Both phenomena lead to a gradual accumulation of biomass and particles, requiring an increase of the water injection pressure in order to keep the water flowing. Once a certain maximum pressure is reached however, treatment must be paused while the biofilter is being backwashed to remove a fraction of the biofilm located on the media. The presence of several phenomena involved during treatment by biofiltration makes this process complex to model as a whole. Hence, most studies on the subject have focused on modeling only a fraction of these phenomena at the same time. In this context, a modeling study aiming to simulate both the pollutant removal and the evolution of headloss occurring during the biofiltration of wastewater is performed. A complete biofiltration model is first built in Matlab®. Several datasets describing the behaviour of a biofilter on both short and long time scales are then used to calibrate the model. Calibration is made individually for three different treatment types (secondary treatment, tertiary nitrification and post-denitrification), in each case performed on full-sized plants. Calibration results show that it is possible in most cases to obtain correct predictions on both pollutant concentrations at the biofilter effluent and on the headloss created during treatment. Some improvements to the filtration sub-model are worth considering, but predictions otherwise globally follow the observed trends. The obtained results allow envisioning the possibility of taking into account both the pollutant removal efficiency and the headloss evolution when using a model to support process optimization, to run different scenario analyses, or even to create control strategies on a biofiltration system.

L'étude a trait aux réactions gaz-liquide appliquées à l'ozonation d'eaux résiduaires. La première partie présente un modèle de description global d'un réacteur gaz-liquide semi-fermé où ont lieu transfert de matière et réactions chimiques irréversibles. Développé dans Matlab, il reprend la résolution du modèle du film et en intègre les résultats dans les bilans matière d'évolution des espèces. Une attention particulière est portée au régime intermédiaire. L'utilisation d'un facteur d'épuisement D associé au facteur d'accélération E permet de comparer l'importance de la réaction dans le film à celle au sein du liquide. La deuxième partie concerne le traitement d'eaux résiduaires par l'ozone. Les expériences sont effectuées en colonne à bulles sur les acides maléique et fumarique. En confrontant les profils expérimentaux et ceux du modèle, les constantes de vitesse d'ozonation sont déterminées. Les profils de E et D permettent de connaître la fraction d'ozone qui réagit dans le film
This work is related to ozone treatment of organic wastes, a gas-liquid reaction. In the first part, a model is proposed for the description of a semi-batch gas-liquid reactor. This model accounts for mass transfer and for irreversible chemical reactions. Using Matlab, the film model is solved and the results are included in the mass balances within the reactor. The 'intermediate regime' is specially studied by introducing a new parameter, the depletion factor D. Associated with the enhancement factor E, it allows the determination of the part of reaction occurring within the film. The second part of this work is specifically related to ozone treatment of organic wastes. Experiments on maleic acid and fumaric acid ozonation are conducted in a bubble column reactor. The rate constants are determined by a trial and error method which compares experimental and numerical results. The ozone fraction reacting within the film is also determined by following the variation of E and D with time

L’optimisation du traitement des eaux urbaines nécessite la mise en place de procédés fiables et un contrôle rigoureux du fonctionnement. Dans ce cadre, le procédé discontinu séquentiel SBR (sequencing Batch reactor) consistant en la succession de phases de réaction, de décantation et de purge au cours du temps est étudié. A cette fin, une méthodologie de développement fondée sur l’exploitation de résultats de simulations mathématiques, d’expérimentations en laboratoire, d’extrapolation à pleine échelle, et de protocoles de contrôle simples mais robustes est présentée. Le simulateur de procédé de traitement de l’eau ( « Benchmark ») associe un modèle de traitement des eaux (ASM n°1 de HENZE et coll. , 1986) et un modèle de décantation (TACKACS et coll. , 1991). L’association de ces deux modèles permet de simuler le fonctionnement d’un système d’épuration à boues activées. Une étude bibliographique exhaustive a permis de dégager des scénarios de fonctionnement d’un SBR susceptibles d’aboutir au traitement du carbone, de l’azote, du phosphore et des MES contenus dans une eau usée urbaine. Les différents cycles sont testés afin de dégager deux procédures : un cycles long et un cycle court. L’utilisation du Benchmark, suite à une mise en place critique de procédures d’identification des variables d’entrée des modèles, est étendue à l’élaboration de différentes stratégies d’amélioration de l’élimination de l’azote. Cette étude, couplée à une étude expérimentale de la déphosphatation, a abouti à la définition d’un cycle de 24 heures, améliorant les cinétiques de dénitrification et mettant en exergue les problèmes liés à la variation temporelle de la charge d’entrée. Afin d’y remédier, une méthode de contrôle et de fiabilisation du fonctionnement, fondée sur l’utilisation conjointe de trois capteurs : pH, potentiel rédox, oxygène dissous, est présentée et mise en oeuvre à l’échelle semi-industrielle
Wastewater treatment optimization requires the installation of reliable processes and a control of operating conditions. In this context, discontinuous processes like SBR, working on the principle of alternating reaction, settling and purge phases is investigated. A development process methodology based on the use of mathematical simulations, lab scale experiments, full scale extrapolation and simple but robust control strategies is reported. The Benchmark of wastewater treatment associates a wastewater treatment model (ASM n°1 ofHENZE et al. , 1986) and a settling conditions model (TACKACS et al. , 1991). Combining both models allows for the simulation of an activated sludge process operation. An exhaustive bibliographic study could highlight different scenarios of SBR operations able to achieve carbon, nitrogen, phosphorus and total suspended solids removal. Different time delays were investigated in order to identify two particular operating conditions : short cycles and long cycles. The use of the Benchmark associated with a critical identification of incoming variables of the model, was extended to the development of strategies for nitrogen removal improvement. This study, combined with an experimental study of phosphorus removal allowed to define a 24 hours cycle, improving denitrification rates but also highlighting problems related to temporal variations of incoming load. In order to solve this problem, a special procedure , based on the use of three sensors : pH, ORP, dissolved oxygen, was investigated and full scale commissioned, in order to control with accuracy operating conditions

Ce travail a pour objet d'étudier et de modéliser l'adsorption du phénol et des chlorophycées sur charbon actif en grain et de préciser les possibilités d'utiliser les ultrasons pour la désorption de ces composés organiques dans le but de regeler l'adsorbant. L'étude et la modélisation des cinétiques d'adsorption des composents phénoliques sur charbon actif en grain permettent de dégager plusieurs résultats sur les mécanismes d'adsorption. Les deux étapes limitantes sont le transfert à travers le film externe et la diffusion intraparticulaire. La modélisation des équilibres isothermes d'adsorption montre que l'adsorption est en monocouche et s'effectue de façon plutôt localisée, les sites déjà occupés n'autorisent pas la fixation d'autres molécules d'adsorbat, les molécules phénoliques adsorbées se repoussent et il n'y a donc pas d'association entre elles et l'adsorption s'effectue sur des sites energétiquement différents. Les effets des ultrasons de différentes fréquences et intensités sur les processus d'adsorption-désorption du 4-chlorophenol sur charbon actif en grain ont été étudiés et discutés. Les capacités d'adsorption obtenues en présence d'ultrasons sont inférieures à celles observées en l'absence du champ ultrasonore et elles sont inversement proportionnelles à l'intensité des ultrasons. La comparaison des courbes cinétiques montre que la vitesse d'adsorption du 4-chlorophenol est plus élevée en présence d'ultrasons. La désorption du 4-chlorophenol de la surface du charbon actif en grain a été étudiée en l'absence et en présence d'ultrasons de différentes fréquences et puissances. Les vitesses de désorption obtenues en présence du champ ultrasonore sont largement supérieures à celles observées en l'absence d'ultrasons. La quantité de 4-chlorophenol désormais augmente avec l'intensité. L'addition de Noah et/ou d'Ethanol au système entraîne un accroissement de la quantité de 4-chlorophenol désormais, spécialement en présence d'ultrasons. L'influence des ultrasons sur la désorption consiste en leurs effets thermique et non-thermique. Les méthodes sonochimique et sonophotochimique de régénération du charbon actif sature en composé phénolique sont des techniques très prometteuses qui permettent simultanément de minéraliser le composé organique et de regeler le charbon actif
The aim of this work is to study and model the adsorption of phenol and chlorophenols onto granular activated carbon and to specify the feasibility of using ultrasound to enhance the desorption of these organic compounds from the adsorbent. The study and modeling of the adsorption kinetics of phenolic compounds on activated carbon show that the two limiting stages of adsorption are the transport through the boundary layer and intraparticle diffusion. Isotherm modeling reveals that adsorption is in monolayer and it is carried out in definite and localised sites, the already occupied sites do not authorize the fixation of other molecules of adsorbate, the adsorbed phenolic molecules are pushed back and thus there is no association between them and the adsorption is carried out on energitecly different sites. The effects of ultrasound of various frequencies and intensities on adsorption-desorption processes of 4-chlorophenol on granular activated carbon were studied and discussed. Adsorption capacities obtained in the presence of ultrasound are lower than that observed in the absence of the ultrasonic field and they are inversely proportional to ultrasound intensity. Comparison of kinetic curves shows that the adsorption rate of 4-chlorophenol is higher in the presence of ultrasound. The desorption of 4-chlorophenol from the granular activated carbon surface was studied in the absence and presence of ultrasound of various frequencies and powers. The desorption rates obtained in the presence of ultrasonic field are largely higher than those observed in the absence of ultrasound. The amount of 4-chlorophenol desorbed increases with the intensity of ultrasound. Addition of naoh and/or ethanol to the system involves an increase of the amount of 4-chlorophenol desorbed, especially in the presence of ultrasound. The influence of ultrasound on desorption consists of their thermal and non-thermal effects. Sonochemical and sonophotochemical methods of regeneration of the activated carbon saturated with phenolic compound are very promising techniques which simultaneously lead to mineralize the organic compound and to regenerate the activated carbon. These techniques do not modify the specific surface and the adsorption capacity of the activated carbon after several cycles of adsorption-regeneration

En ne se basant que sur des considérations physiques, une loi liant la respiration des microorganismes aux divers paramètres internes a pu être établie. Les non linéarités et la dépendance de certains paramètres ont conduit à utiliser une méthode d'identification originale. L'utilisation d'un coefficient de ressemblance des fonctions de sensibilité permet une décomposition de l'espace paramétrique en sous espaces.

Cette etude a contribue a caracteriser le fonctionnement d'une colonne d'ozonation a bulles en ascension libre destinee au traitement des eaux potables. Les parametres caracteristiques de l'hydrodynamique, du transfert d'ozone et de la cinetique de consommation de l'ozone par l'eau ont ete determines. L'hydrodynamique sur la colonne a bulles a ete etudiee en determinant plusieurs parametres: le diametre des bulles, la retention gazeuse et le comportement hydrodynamique de la phase liquide en prenant compte le modele des reacteurs en cascade. Les modeles mathematiques associes aux parametres hydrodynamiques et aux equations des bilans de masse ont ete developpes afin de calculer le coefficient de transfert volumique et la constante cinetique de la consommation de l'ozone par l'eau en prenant en compte les differents modes operatoires (continu ou semi-ferme). Une methode en regime transitoire a pu etre proposee pour determiner la consommation d'ozone par une eau. Les principaux resultats obtenus permettent de predire et d'optimiser les performances d'un tel reacteur d'ozonation