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Analyse et optimisation du traitement de l’azote par boues activ´ ees ` a basse

Analyse et optimisation du traitement de l’azote par boues activ´ ees ` a basse temp´ erature Jean-Marc Choubert To cite this version: Jean-Marc Choubert. Analyse et optimisation du traitement de l’azote par boues activ´ ees ` a basse temp´ erature. Autre. Universit´ e Louis Pasteur - Strasbourg I, 2002. Fran¸ cais. <tel- 00001890> HAL Id: tel-00001890 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00001890 Submitted on 30 Oct 2002 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. - 1 - N° d’ordre : 4090 Ecole Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur ULP – ENSAIS – ENGEES - URS ANALYSE ET OPTIMISATION DU TRAITEMENT DE L’AZOTE PAR LES BOUES ACTIVEES A BASSE TEMPERATURE THESE Présentée et soutenue publiquement le 20 septembre 2002 pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences Pour l’Ingénieur (spécialité Génie des Procédés) par Jean-Marc – CHOUBERT Ingénieur des Travaux Ruraux Composition du jury Directeur de thèse : Alain HEDUIT, Directeur de Recherche – Cemagref Antony Co-Directeur de thèse : Alain GRASMICK, Professeur – Université Montpellier II Rapporteur interne : Marie-Claire LETT, Professeur – Université Louis Pasteur Rapporteurs externes : Marie-Noëlle PONS, Directeur de Recherche – CNRS Alberto ROZZI, Professeur - Politecnico di Milano Examinateur : Yvan RACAULT, Directeur de Recherche – Cemagref Bordeaux Invité : Christian BECK, Maître de Conférences – Engees Thèse préparée au sein de l’unité de recherche Qualité des Eaux du Cemagref de Bordeaux - 3 - REMERCIEMENTS J’ai réalisé mon travail de thèse dans le cadre d’une Formation Continue Par la Recherche (FCPR) au sein de l’unité Qualité des Eaux du Cemagref de Bordeaux. J’exprime ma profonde reconnaissance à Monsieur Gérard SACHON, Chef du Département Gestion des Milieux Aquatiques du Cemagref, pour son appui dans la mise en place de ce projet. Je tiens à remercier Monsieur François DELMAS, Chef de l’unité de recherche Qualité des Eaux du Cemagref de Bordeaux, pour son accueil. Je remercie grandement Messieurs Alain HEDUIT, mon Directeur de thèse, Alain GRASMICK, mon Co-Directeur et Yvan RACAULT, Responsable de mon encadrement au sein de l’équipe épuration des eaux résiduaire du Cemagref de Bordeaux, pour leur confiance et leurs conseils avisés lors de l’analyse de mon travail. Je remercie également Messieurs Christian Beck, Maître de Conférence, et Antoine SADOWSKY, Responsable du laboratoire d’hydraulique urbaine à l’Engees. Je remercie particulièrement Mesdemoiselles Anne-Emmanuelle STRICKER, actuellement en poste au Cemagref de Bordeaux, et Fabienne LAGARDE, Doctorante au Cemagref d’Antony, pour la transmission de leur savoir en matière de modélisation et de fractionnement. Ma reconnaissance va également à Monsieur Jean-Pierre CANLER, Ingénieur de Recherche au Cemagref de Lyon, dont le questionnement et l’intérêt pour le traitement de l’azote à basse température par boues activées m’ont aidé à orienter les applications de mon travail numérique. Je remercie sincèrement Mesdames Marie-Claire LETT et Marie-Noëlle PONS, ainsi que Monsieur Alberto Rozzi, pour avoir accepté d’évaluer mon travail. Les expérimentations n’auraient pu être réalisées sans l’aide précieuse de Messieurs Jean- Claude GREGOIRE et Jacky VEDRENNE, techniciens de l’équipe de traitement des eaux résiduaires. Qu’ils en soient ici remerciés. J’exprime ma profonde reconnaissance aux membres du laboratoire d’analyses des Eaux du Cemagref de Bordeaux, et plus particulièrement à Mesdames Maryse BOUDIGUES et Muriel BONNET pour la qualité et les quantités phénoménales d’analyses effectuées, ainsi que pour m’avoir initié à la pratique de quelques unes des techniques d’analyses. Les suivis expérimentaux effectués à température régulée n’auraient pu être menés à bien sans la mise à disposition du local réfrigéré par le Cemafroid. Que ces membres s’en trouvent ici remerciés. Mes remerciements vont aussi à Monsieur Eric COTTEUX, ainsi qu’à Mesdames Sylvie SCHETRITE et Gaëlle de RONZIER (membres de l’équipe épuration du Cemagref d’Antony) - 4 - pour la transmission de leur savoir en matière de gestion des pilotes de stations d’épuration et d’analyses par micro-méthodes. Que Monsieur Jean-Luc BECKERT (membre de l’équipe épuration du Cemagref de Lyon) soit ici remercié pour avoir mis à disposition du matériel en secours. J’associe tous mes remerciements à tous les autres membres du Cemagref pour leur contribution directe ou indirecte à mon insertion dans leur cadre de travail. Je remercie enfin la Compagnie Générale des Eaux, en charge de l’exploitation de la station de traitement des eaux de Cestas (33), d’avoir accepté nos contraintes lors des prélèvements d’eau usée. Je remercie tout particulièrement Monsieur René TARAGO pour le temps qu’il a consacré à faciliter notre accès. Je dédie cette thèse à ma famille et à tous mes ami(e)s. - 5 - RESUME L’objectif principal de ce travail a porté sur l’optimisation du dimensionnement et de la gestion des installations de traitement des eaux usées par boues activées fonctionnant à basse température (10-12°C) et soumise à une contrainte de traitement poussé sur l’azote. Dans ce but, nous avons étudié la faisabilité de la nitrification à des charges massiques stabilisées supérieures à 0.1 kgDBO5.(kgMVS.j)-1. Le fonctionnement d’une installation pilote alimentée par un effluent synthétique, puis par un effluent urbain réel, a été étudié pour différentes charges massiques stabilisées à une température de 11 ± 1°C. Les résultats très détaillés acquis en continu sur deux périodes de six mois ont suggéré le rôle et la hiérarchie des facteurs influençant la capacité de nitrification. Ils ont permis d’adapter l’outil de simulation dynamique Activated Sludge Model n°1 (ASM1). La double démarche expérimentale et numérique mise en œuvre a permis de dégager les rôles des conditions de fonctionnement (âge des boues, charge volumique en azote, durée de présence d’oxygène) et des propriétés de l’effluent à traiter (ratios caractéristiques, part des différentes fractions) sur les performances de traitement de l’azote et sur la composition de la boue. Les valeurs limites des paramètres de gestion (charge massique maximale, durée d’aération journalière), permettant à différentes configurations d’installation (bassin unique, réacteur avec zone d’anoxie en tête) de respecter une concentration en azote total inférieure à 10 mgN/L dans le rejet, ont pu être dégagées. Des stratégies de gestion dans le cas de variations de flux importantes en entrée d’installation (cas des zones touristiques de montagnes) ont pu être évaluées (fonctionnement à charge massique variable par adaptation de la durée d’aération, ou bien utilisation d’un bassin d’aération à volume variable). Mots clefs : BOUES ACTIVEES ; NITRIFICATION ; DENITRIFICATION ; VITESSES DE REACTIONS ; PARAMETRES CINETIQUES ; SIMULATIONS ; MODELE ASM1 - 7 - ABSTRACT The main objective of this work concerned the optimization of design and operation of activated sludge wastewater treatment plants operating at low temperature (10-12°C) while enhanced nitrogen removal is required. The feasibility of nitrification at steady F/M ratios above 0.1 kgBOD5.(kgMLVSS.d)-1 for intermittently aerated plants was investigated by an approach that combined experiments and mathematical modelling. The behaviour of a pilot plant operated under well-controlled temperature and loading conditions, and fed by synthetic influent and by real domestic wastewater was monitored. The highly detailed results collected during two periods of six months helped us to clarify the magnitude of influence of the main factors (sludge retention time, nitrogen volumetric load, daily aeration time) on nitrification capacity. The Activated Sludge Model n°1 was used as a dynamic simulation tool. Its parameters describing the nitrifier growth were adapted to be able to reproduce the experimental observations. This work highlighted the influence of the operating conditions (sludge age, nitrogen volumetric loading, daily aerobic time) and of the influent characteristics (typical ratios, fractions) on the nitrogen removal performance and the sludge composition. The threshold values of operating parameters (maximum F/M ratio, daily aeration time) were determined to maintain the effluent total nitrogen concentration below 10 mgN/L, for plants with a single tank and for those with a predenitrification tank. Best operation strategies were defined for plants with strong influent load variation (case of tourist resorts), by either keeping a fixed volume and increasing the F/M ratio and the aeration time, or by using a variable volume tank. Key words : ACTIVATED SLUDGE ; NITRIFICATION ; DÉNITRIFICATION ; REACTION RATES ; KINETICS PARAMETERS ; SIMULATIONS ; MODEL ASM1 - 9 - TABLE DES MATIERES SIGLES ET NOTATIONS ____________________________________________ 17 INTRODUCTION ___________________________________________________ 21 I SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE____________________________________ 27 I.1 Nitrification en boues activées – Paramètres clés ______________________ 29 I.1.1 Réactions de transformation de l’azote ___________________________ 29 I.1.1.1 Assimilation ___________________________________________________ 29 I.1.1.2 Nitrification et dénitrification_______________________________________ 30 I.1.1.2.1 La nitrification ______________________________________________ 30 I.1.1.2.1.1 La nitritation __________________________________________________ 30 I.1.1.2.1.2 La nitratation __________________________________________________ 30 I.1.1.2.1.3 Bilan ________________________________________________________ 31 I.1.1.2.2 La dénitrification ____________________________________________ 31 I.1.1.3 Remarque ____________________________________________________ 31 I.1.2 Equations bilan en régime permanent - Paramètres clés _____________ 32 I.1.2.1 Cinétiques biologiques – Rappels __________________________________ 32 I.1.2.1.1 Cinétique de croissance de la biomasse autotrophe ________________ 32 I.1.2.1.1.1 Influence des caractéristiques du uploads/Science et Technologie/ traitement-n-cemagref-these-choubert-pdf.pdf