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T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par L'Université Laval (Québ

T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par L'Université Laval (Québec) Département de Génie Civil et Génie des Eaux Faculté des Sciences et Génie et L’Institut des Sciences et Industries du Vivant et de l’Environnement (AgroParisTech) Spécialité : Sciences de l'Eau présentée et soutenue publiquement par Hélène HAUDUC le 2 novembre 2010 Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut Directeurs de thèse : Sylvie GILLOT et Peter VANROLLEGHEM Co-encadrement de thèse : Leiv RIEGER et Alain HÉDUIT Jury Dr. Sylvie GILLOT, Ingénieure de recherche, HDR, Cemagref Directrice de thèse Pr. Peter VANROLLEGHEM, Université Laval Québec (CANADA) Directeur de thèse Pr. Alain BERMOND, AgroParisTech Examinateur Pr. Paul LESSARD, Université Laval Québec (CANADA) Examinateur Dr. Evangelina BELIA, Présidente de Primodal Inc. Québec (CANADA) Examinateur Pr. Eduardo AYESA, CEIT (ESPAGNE) Examinateur Pr. Serge LEROUEIL, Université Laval Québec (CANADA) Président du Jury HÉLÈNE HAUDUC MODÈLES BIOCINÉTIQUES DE BOUES ACTIVÉES DE TYPE ASM : ANALYSE THÉORIQUE ET FONCTIONNELLE, VERS UN JEU DE PARAMÈTRES PAR DÉFAUT Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval dans le cadre du programme de doctorat en Génie des Eaux pour l’obtention du grade de philosophiae doctor (Ph. D.) DÉPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL ET GÉNIE DES EAUX FACULTÉ DES SCIENCES ET GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC et ECOLE DOCTORALE ABIES INSTITUT DES SCIENCES ET INDUSTRIES DU VIVANT ET DE L’ENVIRONNEMENT (AGROPARISTECH) PARIS, FRANCE pour l’obtention du grade de docteur 2011 © Hélène Hauduc, 2011 Résumé La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations, par les ingénieurs et par les chercheurs. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l’utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse des connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement. ii Abstract Mathematical modelling of activated sludge systems has become a widely accepted tool and is used in particular for optimization and upgrading of existing plants and for new facilities design, either by engineering and consulting companies, or university and research centers. Ensuring the adequate quality of modelling results is therefore essential. However, an international survey conducted among 96 potential users of activated sludge models (ASM) pointing to two main obstacles to the use of modelling: the selection of the model to use among the available models and the model calibration. The objective of this work was to provide elements to overcome these obstacles and to promote the wider use of biokinetic models for activated sludge systems. It focused on seven published models: (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold and (7) UCTPHO+. First, an analysis of practical knowledge on the models was performed to improve the transfer of modelling knowledge. A database of practical modelling applications from published case studies and from the answers of a questionnaire sent to model users was created. This database enables to establish ranges of parameter values commonly used for the ASM1 and ASM2d. Then the theoretical knowledge on ASMs was analysed to help users to better understand the seven studied models and to select the model most appropriate to their project. The studied models were first verified and typing errors and inconsistencies have been corrected. The modelling concepts were compared to each other through a new graphical representation, and confronted with knowledge about the biology of activated sludge, in order to highlight the theoretical limits of each model. Finally, a methodology has been developed to obtain default parameter values that could be used as initial values for model calibration. To this end, an automated calibration procedure that allows calibration on multiple data sets was proposed. Then, the quality criteria used in environmental sciences have been synthesised. These criteria are required to determine the best set of parameters based on the goodness-of-fit of the model and to compare results from different models. Avant-Propos Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre d'une collaboration entre Cemagref, l’institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement, et l'Université Laval (Québec, Canada). Au Cemagref, les travaux de thèse ont été effectués au sein de l'équipe Epure (Génie des processus épuratoires) de l’unité HBAN (Hydrosystèmes et bioprocédés) du groupement d’Antony (France), et dirigés par Sylvie Gillot. A l’Université Laval, ils ont été réalisés au sein du groupe de recherche modelEAU du département de génie civil et de génie des eaux, et dirigés par Pr. Peter Vanrolleghem. Ces travaux s'inscrivent également dans le cadre d'une cotutelle établie entre l'Université Laval et l'école doctorale ABIES de l’Institut des Sciences et Industries du Vivant et de l’Environnement (AgroParisTech, Paris, France), dont Alain Bermond a assuré la correspondance pour ce projet. Ces travaux ont été également encadrés par Alain Héduit et Leiv Rieger. Les travaux de thèse ont été développés en lien avec les travaux du Task Group « Good Modelling Practice » (TG-GMP, https://iwa-gmp-tg.cemagref.fr/) de l’International Water Association, dont l'objectif est d'élaborer une procédure de bonnes pratiques en matière de modélisation des boues activées. Ce groupe de travail est dirigé par Leiv Rieger et est composé de 6 autres membres : Sylvie Gillot, Günter Langergraber, Takayuki Ohtsuki, Andrew Shaw, Imre Takács et Stefan Winkler. Cette collaboration a fait l'objet de deux articles présentés dans la thèse : − Hauduc H., Gillot S., Rieger L., Ohtsuki T., Shaw A., Takacs I., Winkler S. (2009) Activated sludge modelling in practice - An international survey, Water Science and Technology, 60(8), 1943-1951. Cet article est basé sur l'analyse des réponses à un questionnaire aux utilisateurs effectifs et potentiels de modèles de type ASM. Ce questionnaire a été élaboré par les membres du TG-GMP. L'analyse des résultats et la rédaction de l'article ont été entièrement menées par moi-même, mais ont été affinées grâce à de nombreux échanges avec les co-auteurs. Cet article a été publié et est présenté au chapitre 2 de cette thèse. iv − Hauduc H., Rieger L., Ohtsuki T., Shaw A., Takács I., Winkler S., Heduit A, Vanrolleghem P.A. and Gillot S. (In Press) Activated sludge modelling: Development and potential use of a practical applications database, Water Science and Technology, In Press. Cet article est basé sur l'analyse des réponses à un second questionnaire aux utilisateurs de modèles de type ASM et d'une revue de littérature extensive des applications de modélisation. Le questionnaire a été élaboré en collaboration avec les membres du TG-GMP. La synthèse bibliographique, la création de la base de données, l'analyse des résultats et la rédaction de l'article ont été entièrement menées par moi-même, mais ont été affinées grâce à de nombreux échanges avec les co-auteurs. Cet article a été accepté pour publication au mois de septembre, et est présenté au chapitre 3 de cette thèse. Quelques informations supplémentaires ont été ajoutées par rapport à l'article accepté. Deux autres articles dont j'ai été la rédactrice principale ont été réalisés lors de ces travaux de thèse et sont intégrés dans la thèse : − Hauduc H., Rieger L., Takacs I., Héduit A., Vanrolleghem P.A., and Gillot S. (2010) A systematic approach for model verification – Application on seven published Activated Sludge Models, Water Science and Technology, 61(4), 825- uploads/Litterature/ modeles-biocinetiques-de-boues-activees-de-type-asm-analyse-theorique-et-fonctionnelle-vers-un-jeu-de-parametres-par-defaut-hauduchelene-phd.pdf