calageasm1##delrue florian 2008

THESE

prsente

L'UNIVERSITE BORDEAUX 2

ECOLE DOCTORALE

Sciences de la vie et de la sant

par Florian Delrue

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR SPECIALITE : Biologie

Soutenue le 22 dcembre 2008 devant le jury compos de :

Directrice de thse : Madame Martine MIETTON-PEUCHOT Professeur Universit de Bordeaux II Rapporteurs : Monsieur Alain GRASMICK Professeur Universit Montpellier II Monsieur Peter VANROLLEGHEM Professeur Universit Laval, Canada Examinateurs : Madame Claire ALBASI Charge de Recherche ENSIACET Toulouse Madame Corinne CABASSUD Professeur INSA Toulouse Monsieur Yvan RACAULT Directeur de Recherche Cemagref Bordeaux

MODELISATION DU PROCEDE BIOREACTEUR A MEMBRANES IMMERGEES : CALAGE ET VALIDATION DU MODELE ASM1 SUR UN SITE REEL - ETUDE DES

INTERACTIONS BOUES ACTIVEES, CONDITIONS OPERATOIRES ET MEMBRANE

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Remerciements

Ce travail a t effectu au sein de lunit REBX du CEMAGREF de Bordeaux. Je tiens donc tout dabord remercier M. Daniel Poulain, le chef dunit, pour son accueil et sa disponibilit. Ensuite, ma reconnaissance va tout naturellement mon encadrant, M. Yvan Racault, Directeur de Recherche au CEMAGREF de Bordeaux, pour son soutien tout au long de ces trois annes.

Cette thse a t effectue sous la direction de Mme Martine Mietton-Peuchot, Professeur la facult dnologie de lUniversit de Bordeaux 2, je la remercie vivement davoir accept de suivre mon travail. Jexprime toute ma gratitude Mme Corinne Cabassud, Professeur lINSA de Toulouse, et M. Mathieu Sprandio, Matre de Confrence lINSA de Toulouse, pour leur aide dans ce travail et leur participation au comit de thse. Un grand merci galement Anne-Emmanuelle Stricker pour sa relecture trs efficace de ce rapport. Je tiens aussi remercier Jean Marc Choubert pour son aide prcieuse dans la matrise de la modlisation. Je remercie grandement, Messieurs Peter Vanrolleghem, Professeur de lUniversit Laval au Qubec, et Alain Grasmick, Professeur de lUniversit de Montpellier 2, davoir accept dtre les rapporteurs de ce manuscrit. Mes remerciements vont galement toute lquipe puration du Cemagref de Bordeaux : Alain pour son aide et sa sympathie, Jacky, notre spcialiste des petites bbtes et Jean-Claude, Mister Capteur. Je me dois de tirer galement mon chapeau aux filles du laboratoire (Brigitte et Brigitte, Maryse et Muriel) qui ont toujours analys mes chantillons dans la joie et la bonne humeur malgr leur nombre parfois indcent ! Je remercie galement les deux stagiaires que jai eu lhonneur dencadrer : Laura Gonzalez et Cline Perez. Jexprime ma reconnaissance toutes les personnes qui ont permis la ralisation de ce travail : Jean-Daniel Laborde, Christophe Guerrero, Anne-Laure Belloi de la Lyonnaise des Eaux, Mathieu Gaillard, Thomas Peneau de Degrmont et Yves Coquet et Philippe Corlay de la Saur. Jajouterai galement un grand merci la Rgion Aquitaine qui a financ partiellement cette thse.

Rares sont les occasions o lon peut remercier tous ses amis, je vais donc en profiter quelque peu et prendre le temps de citer tout ceux que jai ctoy et sur lesquels jai pu compter durant ces trois annes. Je commence tout dabord par mes amis au sein du Cemagref, je pense particulirement Dancing Maria (pour son soutien, mutuel, pendant la thse), Vaitoun (pour son aide et sa sympathie comme collgue de bureau) et aussi You, Seb, Nico, etc ainsi que tous les

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stagiaires qui sont passs et qui, chaque anne, amnent avec eux un souffle de jeunesse au Cemagref. Ensuite, viennent mes amis denfance (en souvenir de toutes nos aventures, du super-grill aux scouts en passant par la version amricaine de YMCA) qui ne comprennent pas toujours forcment ce que je fais mais qui ont toujours essay : Aur, Irfan, Cdric et Jo. Je remercie aussi de tout cur mes amis de prpa qui mont initi aux joies des jeudis Mob ou riz ? et avec qui jai encore loccasion de mentraner assez rgulirement, je pense principalement Matthieu, Fabien, Bertrand et Jeff. Le passage par une cole dingnieur a attis mon got pour la recherche et ma aussi permis de rencontrer des personnes aux divers talents (artistiques ou pas). Parmi celles-ci, je cite volontiers les amis qui mont toujours soutenu (mme dans les plus mauvaises postures) : mon cher coton-tige (ou linverse), Bastien, mon coach pour la pratique de lhlicoptre, Damien, mon binme velu mais sexy, Peyo et mon sympathique bcheron fan des annes 80, Pierre. Enfin, la dernire catgorie damis, la plus rcente : mes amis rencontrs par lintermdiaire des cours de thtre. Je les remercie vivement de mavoir aid mvader sur scne, hors des frontires de la thse, je pense notamment : Alex, Anthony, Caro, Magali, Nadge, Pascaline, Stphane et Vro. Une mention spciale pour la Miss Sans Plomb grce qui lexpression finir en beaut me va merveille. Et je me permets aussi de remercier toutes les personnes qui par leurs actes, leurs conseils, leurs avis ou leurs jugements, bons ou mauvais, ont forg ma personnalit et mont permis dtre tel que je suis. Jajouterai juste cette phrase rsumant un peu cette pense : si on sattache trop aux femmes chocolats, la vie devient vite une misre . Et pour finir, comme on dit toujours last but not least , je tiens remercier toute ma famille qui ma toujours soutenu quels que soient mes choix et sur laquelle, je peux compter, tout moment, je pense bien sr Mman, Ppa, Soeurette et TiBen.

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Les bioracteurs membranes (BAM) sont de plus en plus utiliss dans le domaine du traitement des eaux rsiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limit ou quun traitement puratoire pouss est requis. Nanmoins, la gestion de ces installations et plus particulirement du colmatage des membranes reste difficile et constitue gnrallement une source de problmes pour les exploitants. La modlisation est un outil efficace et dj prouv sur les procds conventionnels boues actives pour laide la conduite et la comprhension de procd avec les modles de boues actives de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacits de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent tre modliss sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations relles ont t tudies et lune dentre elles a t choisie pour le calage du modle ASM1. La mthodologie a t adapte aux spcificits des bioracteurs membranes et de linstallation modlise en particulier (fractionnement des eaux uses, calage de laration) et un nouveau jeu de paramtres de lASM1 a pu tre constitu. Linfluence des proprits des boues actives et des conditions dopration sur les capacits de filtration des membranes reste encore lobjet de nombreuses recherches, gnralement sur installations pilotes, et la modlisation dans ce domaine nen est qu ses dbuts. Lobjectif de ce travail concernant la filtration membranaire a t de caractriser le systme membrane/boues travers ltude des interactions entre les proprits des boues, les conditions dopration et les paramtres de la filtration (permabilit membranaire et vitesse de colmatage) comparer avec les rsultats de la littrature scientifique. Les deux BAM tudis ont montr des comportements et relations entre paramtres assez diffrents confirmant la complexit des interactions entre membrane, boues et conditions opratoires.

Mots-Clefs : ASM1, Bioracteurs membranes, Calage, Colmatage, Installations relles, Modlisation, Proprits des boues actives

Abstract

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Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the membrane/sludge system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.

Keywords: ASM1, Calibration, Fouling, Full-scale, Membrane bioreactor, Modelling, Sludge properties

Table des matires

Table des matires

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Remerciements ..................................................................................................3

Rsum ..............................................................................................................5

Abstract..............................................................................................................9

Table des matires ...........................................................................................13

Liste des tableaux ............................................................................................21

Liste des figures ...............................................................................................27

Nomenclature...................................................................................................35

Introduction.....................................................................................................43

Partie 1 : Synthse bibliographique

I - Les bioracteurs membranes........................................................................................ 48

I.1. Un peu dhistoire................................................................................................................ 48 I.1.1. Introduction au traitement des eaux uses..................................................................................... 48 I.1.2. Lapparition des bioracteurs membranes .................................................................................. 49

I.2. Principe des bioracteurs membranes .......................................................................... 50 I.2.1. Les bioracteurs boucle externe ................................................................................................. 50 I.2.2. Les bioracteurs membranes immerges .................................................................................... 51 I.2.3. Types de membranes utilises....................................................................................................... 52

I.3. Performance des bioracteurs membranes................................................................... 54 I.3.1. Une technologie en plein essor...................................................................................................... 54 I.3.2. Avantages/Inconvnients du procd............................................................................................ 54 I.3.3. Abattement des virus et bactries.................................................................................................. 56 I.3.4. Substances prioritaires................................................................................................................... 56

II - Le phnomne de colmatage....................................................................................... 58

II.1. Flux critique ....................................................................................................................... 58

II.2. Mcanismes du colmatage................................................................................................. 60

II.3. Mthodes de quantification du colmatage ....................................................................... 61 II.3.1. Donnes intgres..................................................................................................................... 62

II.3.1.1 Pression transmembranaire, permabilit et rsistance la filtration .................................. 62 II.3.1.2 Expression de la capacit colmater dune boue donne .................................................... 63

II.3.2. Donnes instantanes - Expressions de la vitesse de colmatage............................................... 64

II.4. Paramtres influenant le colmatage ............................................................................... 64 II.4.1. Caractristiques des membranes............................................................................................... 65 II.4.2. Proprits des boues ................................................................................................................. 65

II.4.2.1 Matires solubles, collodes et particules............................................................................. 65 II.4.2.2 La concentration en matires en suspension (MES) ............................................................ 66 II.4.2.3 La temprature..................................................................................................................... 66 II.4.2.4 La viscosit dynamique ....................................................................................................... 67 II.4.2.5 Les exopolymres (EPS)...................................................................................................... 68

II.4.3. Les conditions opratoires........................................................................................................ 71 II.4.3.1 Lge des boues ................................................................................................................... 71 II.4.3.2 Concentration en oxygne dissous....................................................................................... 71 II.4.3.3 Les conditions hydrodynamiques ........................................................................................ 71

II.4.4. Bilan sur les paramtres influenant le colmatage.................................................................... 72

II.5. Moyens de lutter contre le colmatage............................................................................... 72 II.5.1. Laration membranaire par grosses bulles .............................................................................. 72

Table des matires

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II.5.2. Le rtrolavage........................................................................................................................... 73 II.5.3. Les priodes de relaxation ........................................................................................................ 73 II.5.4. Les lavages chimiques.............................................................................................................. 74 II.5.5. Autres mthodes de dcolmatage des membranes.................................................................... 74

II.6. Amliorations et autres utilisations du procd.............................................................. 75 II.6.1. Produits chimiques amliorant le dbit de filtration................................................................. 75 II.6.2. Amliorations du procd......................................................................................................... 76 II.6.3. Autres possibilits dutilisation des bioracteurs membranes................................................ 77

III - La modlisation des bioracteurs membranes ........................................................ 78

III.1. Introduction la modlisation.......................................................................................... 78

III.2. Les modles biologiques les modles ASM ................................................................... 78 III.2.1. Principe des modles de type ASM.......................................................................................... 79

III.2.1.1 Le fractionnement de la DCO.............................................................................................. 79 III.2.1.2 Le fractionnement de lazote ............................................................................................... 79 III.2.1.3 Principe de la modlisation biologique avec les modles ASM1 et ASM3......................... 80

III.2.2. Calage des modles ASM......................................................................................................... 82

III.3. La modlisation des bioracteurs membranes ............................................................. 83 III.3.1. Modlisation biologique des BAM........................................................................................... 84

III.3.1.1 Spcificits des BAM .......................................................................................................... 84 III.3.1.2 Quelques modles................................................................................................................ 84 III.3.1.3 Paramtres ASM1 des bioracteurs membranes ............................................................... 84

III.3.2. Modlisation du colmatage....................................................................................................... 87 III.3.3. Modlisation associant le colmatage et la biologie .................................................................. 87

Partie 2 : Matriels et mthodes

I - Prsentation des stations dpuration............................................................................. 92

I.1. Station de Guthary........................................................................................................... 92 I.1.1. Prsentation de la station............................................................................................................... 92 I.1.2. Protocole de suivi .......................................................................................................................... 94

I.2. Station de Le Guilvinec ..................................................................................................... 96 I.2.1. Prsentation de la station............................................................................................................... 96 I.2.2. Protocole de suivi .......................................................................................................................... 98

I.3. Station de Grasse................................................................................................................ 99 I.3.1. Prsentation de la station............................................................................................................... 99 I.3.2. Protocole de suivi ........................................................................................................................ 101

I.4. Calculs de la production de boues et de lge des boues...............................................101 I.4.1. Station de Guthary..................................................................................................................... 102 I.4.2. Station de Le Guilvinec............................................................................................................... 103 I.4.3. Station de Grasse......................................................................................................................... 103

II - Analyse physico-chimiques des boues ...................................................................... 104

II.1. Analyses chimiques .......................................................................................................... 104 II.1.1. Analyses usuelles : NH4+, NO3-, NO2-, NTK, DCO, DBO5......................................................... 104 II.1.2. EPS : Exopolymres scrts ................................................................................................. 104

II.1.2.1 Principe des dosages.......................................................................................................... 104 II.1.2.2 Prparation de lchantillon ............................................................................................... 105 II.1.2.3 Nomenclature..................................................................................................................... 106

II.1.3. COT : Carbone organique Total ............................................................................................. 106 II.2. Validation de la sonde spectrophotomtrique S::CAN................................................................ 107

II.3. Analyses physiques sur les boues actives...................................................................... 107 II.3.1. Viscosit dynamique ............................................................................................................. 107

Table des matires

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II.3.2. Tests de filtrabilit.................................................................................................................. 108 II.3.2.1 Principe.............................................................................................................................. 108 II.3.2.2 Calcul de la rsistance spcifique ...................................................................................... 108

II.3.3. Indice de boues dilu .............................................................................................................. 109 II.3.4. Proprits de la filtration ........................................................................................................ 109

II.3.4.1 Pression transmembranaire et permabilit ....................................................................... 109 II.3.4.2 Vitesse de colmatage ......................................................................................................... 110

III - Modlisation .............................................................................................................. 112

III.1. Choix du modle ASM..................................................................................................... 112 III.1.1. Pourquoi lASM1 ?................................................................................................................. 112 III.1.2. Modifications de lASM 1...................................................................................................... 112

III.2. Protocole de calage........................................................................................................... 113 III.2.1. Conditions hydrodynamiques des bassins de la station de Guthary......................................114

III.2.1.1 Hydrodynamique de la zone danoxie ............................................................................... 114 III.2.1.2 Hydrodynamique du bassin daration .............................................................................. 115

III.2.2. Etape 1 : Initialisation du modle ........................................................................................... 115 III.2.3. Etape 2 : Fractionnement des eaux uses ............................................................................... 116

III.2.3.1 Dtermination de la DCO soluble...................................................................................... 116 III.2.3.2 Dtermination de la fraction soluble inerte........................................................................ 117 III.2.3.3 Mesure complmentaire..................................................................................................... 118 III.2.3.4 Fractionnement de lazote.................................................................................................. 120

III.2.4. Etape 3 : Estimation des paramtres de la nitrification........................................................... 121 III.2.5. Etape 4 : Calage de loxygne ................................................................................................ 123 III.2.6. Etape 5 : Estimation des paramtres cintiques - Campagne de calage.................................. 124 III.2.7. Etape 6 : Validation du modle .............................................................................................. 126

III.3. Logiciel de simulation...................................................................................................... 127

III.4. Entre des donnes dans le logiciel................................................................................. 127 III.4.1. Reprsentation dun bioracteur membranes sous le logiciel GPS-X................................ 127 III.4.2. Donnes introduites dans le simulateur .................................................................................. 128

III.4.2.1 Donnes dentre ............................................................................................................... 128 III.4.2.2 Donnes de contrle .......................................................................................................... 129

III.4.3. Cas du fractionnement des eaux uses.................................................................................... 129 III.4.3.1 Fractionnement de la DCO ................................................................................................ 129 III.4.3.2 Fractionnement de lazote.................................................................................................. 130

Partie 3 : Etude de trois installations relles de bioracteurs membranes

I - Station de Guthary....................................................................................................... 134

I.1. Programme dtude ......................................................................................................... 134

I.2. Analyse du procd.......................................................................................................... 135 I.2.1. Charge entrante sur la station ...................................................................................................... 135 I.2.2. Caractristiques des boues .......................................................................................................... 137 I.2.3. Hydraulique de la station de Guthary Concentration en oxygne .......................................... 138 I.2.4. Efficacit puratoire .................................................................................................................... 141

I.3. Proprits de la filtration ................................................................................................ 142

II - Station de Le Guilvinec ............................................................................................. 144

II.1. Programme dtude ......................................................................................................... 144

II.2. Analyse du procd.......................................................................................................... 144 II.2.1. Charge entrante sur la station ................................................................................................. 144 II.2.2. Caractristiques des boues...................................................................................................... 146

sadiwokTexte surlign

Table des matires

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II.2.3. Hydraulique de la station Concentration en oxygne .......................................................... 147 II.2.4. Efficacit puratoire ............................................................................................................... 147

II.3. Proprits de la filtration ................................................................................................ 148

III - Station de Grasse....................................................................................................... 152

III.1. Programme dtude ......................................................................................................... 152

III.2. Analyse du procd.......................................................................................................... 153 III.2.1. Charge entrante sur la station ................................................................................................. 153 III.2.2. Caractristiques des boues...................................................................................................... 154 III.2.3. Hydraulique de la station Concentration en oxygne .......................................................... 155 III.2.4. Efficacit puratoire ............................................................................................................... 155

III.3. Proprits de la filtration ................................................................................................ 156

IV - Comparaison des stations.......................................................................................... 159

IV.1. Comparaison des procds.............................................................................................. 159

IV.2. Comparaison du fonctionnement des bioracteurs membranes............................... 159

IV.3. Comparaison des stations dans un but de modlisation............................................... 161

Partie 4 : Calage du modle ASM1 pour la station de Guthary

I - Calage du modle ASM1............................................................................................... 164

I.1. Etape 1 : Initialisation du modle et analyse de sensibilit ..........................................164

I.2. Etape 2 : Fractionnement des eaux uses....................................................................... 166 I.2.1. Dtermination de la fraction soluble inerte ................................................................................. 166 I.2.2. Dtermination de la fraction soluble ........................................................................................... 166 I.2.3. Choix de la mthode de fractionnement...................................................................................... 167 I.2.4. Fractionnement de lazote ........................................................................................................... 168 I.2.5. Validation du fractionnement...................................................................................................... 169

I.3. Etape 3 : Estimation des paramtres cintiques de la nitrification ............................. 170 I.3.1. Estimation du couple (A, bA) .....................................................................................................170 I.3.2. Estimation du coefficient de demi-saturation pour lammoniaque KNH ...................................... 174

I.4. Etape 4 : Calage de loxygne ......................................................................................... 175 I.4.1. Hydraulique de la station de Guthary Apports horaires en oxygne ...................................... 175 I.4.2. Validation des apports horaires ................................................................................................... 175

I.5. Etape 5 : Estimation des paramtres cintiques............................................................ 176 I.5.1. Variations des formes azotes dans la zone anoxie..................................................................... 177 I.5.2. Variations des formes azotes dans le bassin daration............................................................. 178 I.5.3. Concentrations de sortie des formes azotes pour la priode de calage ...................................... 180

I.6. Conclusion de ltape de calage ...................................................................................... 181

II - Validation du modle de la station de Guthary ...................................................... 183

II.1. Rsultats............................................................................................................................ 183 II.1.1. Validation hydraulique ........................................................................................................... 183 II.1.2. Validation du fractionnement concentration en MES, ge des boues.................................. 183 II.1.3. Validation de laration - concentration en oxygne ............................................................. 185 II.1.4. Validation des cintiques de nitrification ............................................................................... 186 II.1.5. Validation sur les concentrations en ammoniaque et nitrate en sortie .................................... 187

II.2. Conclusion du calage - Critiques .................................................................................... 189 II.2.1. Rsultats du calage dun modle ASM1 du bioracteur membranes de Guthary .............. 189 II.2.2. Mthodologie.......................................................................................................................... 190

Table des matires

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Partie 5 : Interaction entre proprits des boues, conditions opratoires et caractristiques de la filtration

I - Evolutions temporelles des proprits physico-chimiques des boues.......................... 194

I.1. Proprits physiques........................................................................................................ 194 I.1.1. Viscosit...................................................................................................................................... 194 I.1.2. Indice de boues (IB) .................................................................................................................... 196

I.2. Proprits chimiques ....................................................................................................... 197 I.2.1. Carbone organique ...................................................................................................................... 197

I.2.1.1 Evolution des concentrations en carbone organique.......................................................... 197 I.2.1.2 Bilan sur les deux stations dpuration .............................................................................. 199

I.2.2. EPS.............................................................................................................................................. 199 I.2.2.1 Polysaccharides ................................................................................................................. 199 I.2.2.2 Protines et substances humiques ...................................................................................... 201 I.2.2.3 Bilan sur les deux stations dpuration .............................................................................. 202

I.3. Pouvoir colmatant de la boue.......................................................................................... 204

II - Proprits physico-chimiques des boues et conditions opratoires......................... 207

II.1. Interrelations entre proprits physico-chimiques des boues...................................... 207 II.1.1. Viscosit et concentration en MES......................................................................................... 207

II.1.1.1 Viscosit et MES : test pralable ....................................................................................... 207 II.1.1.2 Viscosit et MES pour les BAM de Guthary et Grasse...................................................208

II.1.2. Matire organique dans le surnageant .................................................................................... 209 II.1.3. Indice de boues dilu (IB) ...................................................................................................... 210

II.2. Influence des conditions opratoires sur les proprits physico-chimiques des boues 211

III - Interactions des paramtres avec le colmatage........................................................ 214

III.1. Pouvoir colmatant des boues........................................................................................... 214

III.2. Interactions avec les caractristiques de la filtration.................................................... 217

III.3. Pouvoir colmatant et caractristiques de la filtration .................................................. 219

IV - Conclusion - Contraintes des tudes sur installations relles ................................. 221

IV.1. Synthse des rsultats ...................................................................................................... 221

IV.2. Contraintes des tudes sur installations relles............................................................. 222

Conclusion......................................................................................................227

Rfrences bibliographiques .........................................................................235

Annexes..........................................................................................................249

Liste des Tableaux

Liste des tableaux

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Tableau 1 : Rcapitulatif des avantages, inconvnients et principales utilisations du procd

bioracteur membranes.......................................................................................................... 56

Tableau 2 : Participation des diffrentes fractions de la boue la rsistance totale la

filtration Rt ............................................................................................................................... 65

Tableau 3 : Diffrents modles de dpendance de la viscosit par rapport la concentration en

MES.......................................................................................................................................... 68

Tableau 4 : Moyens de lutte contre le colmatage..................................................................... 75

Tableau 5 : Paramtres dcrivant le fractionnement de lazote pour lASM3......................... 80

Tableau 6 : Diffrents travaux sur le calage des paramtres de l'ASM1 pour les BAM.......... 85

Tableau 7 : Conditions opratoires de quatre tudes de calage de paramtres du modle ASM1

.................................................................................................................................................. 85

Tableau 8 : Valeurs de quelques paramtres de l'ASM1 pour plusieurs tudes....................... 86

Tableau 9 : Valeurs de quelques constantes de demi-saturation de l'ASM1 pour plusieurs

tudes........................................................................................................................................ 86


Tableau 10 : Flux nominaux en entre de station de Guthary................................................ 93

Tableau 11 : Garanties du constructeur et exigences de larrt prfectoral sur les paramtres

en sortie de la station de Guthary sur chantillons moyens 24h............................................. 94

Tableau 12 : Instrumentation de la station de Guthary........................................................... 95

Tableau 13 : Bases de dimensionnement et normes de rejets (arrt prfectoral 7/11/2003).. 97

Tableau 14 : Instrumentation de la station de Le Guilvinec .................................................... 99

Tableau 15 : Instrumentation de la station de Grasse............................................................. 101

Tableau 16 : Mthodes utilises pour les analyses usuelles de chimie ..................................104

Tableau 17 : Nomenclature pour lanalyse des EPS .............................................................. 106

Tableau 18 : Nomenclature pour la mesure de COT.............................................................. 106

Tableau 19 : Les trois grandes tapes du calage dun modle ASM et les donnes utilises 113

Tableau 20 : Priodes de lexemple de campagne de calage et paramtres concerns.......... 126

Tableau 21 : Donnes dentre du logiciel de simulation ...................................................... 128

Tableau 22 : Donnes de contrle pour la simulation............................................................ 129

Liste des tableaux

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Tableau 23: Chronologie des interventions du Cemagref et vnements sur la station de

Guthary................................................................................................................................. 134

Tableau 24 : Caractristiques des eaux uses de la station de Guthary, t 2006................ 136

Tableau 25 : Efficacit puratoire de la station de Guthary ................................................. 141

Tableau 26 : Chronologie des interventions du Cemagref sur la station de Le Guilvinec..... 144

Tableau 27 : Caractristiques des eaux uses de la station de le Guilvinec, du 10/03/2006 au

31/12/2006.............................................................................................................................. 145

Tableau 28 : Caractristiques des eaux uses de la station de le Guilvinec, du 1/01/2007 au

15/10/2007.............................................................................................................................. 146

Tableau 29 : Valeurs des ratios MESMVS et MVSX DCO sur prlvements ponctuels de

boues de la station de Le Guilvinec ....................................................................................... 146

Tableau 30 : Efficacit puratoire de la station de Le Guilvinec, 2006 (du 26/01/2006 au

5/12/2006) .............................................................................................................................. 148

Tableau 31 : Efficacit puratoire de la station de Le Guilvinec, 2007 (du 01/01/2007 au

02/01/2008) ............................................................................................................................ 148

Tableau 32 : Pertes de permabilit et coefficient de corrlation R2 des droites de rgression

pour les trois compartiments membranaires de la station de Le Guilvinec, du 1/01 au 24/08/06

................................................................................................................................................ 149

Tableau 33 : Chronologie des interventions du Cemagref et des vnements sur la station de

Grasse ..................................................................................................................................... 152

Tableau 34 : Paramtres en entre de la station de Grasse, du 1/06/2007 au 14/09/07 ......... 153

Tableau 35 : Efficacit puratoire de la station de Grasse ..................................................... 156


Tableau 36 : Analyse de sensibilit pour la station de Guthary ........................................... 165

Tableau 37 : Fractions solubles de la DCO estimes par trois mthodes diffrentes ............ 166

Tableau 38 : Etude de sensibilit sur la fraction soluble en rgime pseudo-permanent ........ 167

Tableau 39 : Rsultats des deux mthodes de fractionnement............................................... 168

Liste des tableaux

- 25 -

Tableau 40 : Ratios des eaux uses de la station de Guthary utiliss pour leur caractrisation

par le logiciel GPS-X ........................................................................................................... 168

Tableau 41 : Fractionnement de lazote dans les eaux uses ................................................. 168

Tableau 42 : Ratios pour le fractionnement de lazote........................................................... 169

Tableau 43 : Rsultats des tests de vitesse maximale de nitrification effectus sur la station de

Guthary durant lt 2006..................................................................................................... 171

Tableau 44 : Exemples de couples (A, XBA) correspondant la valeur de la vitesse maximale

de nitrification du 31/07/2006 et les taux de dcs bA associs ............................................. 173

Tableau 45 : Concentrations en biomasse autotrophe XBA calcules partir des vitesses

maximales de nitrification du 17 et du 24 juillet 2006 pour quelques couples (A, bA) 20C

................................................................................................................................................ 173

Tableau 46 : Apports horaires et kLa correspondant pour les diffrentes configurations de

laration sur la station de Guthary pour une concentration en MES des boues de 8.40.6

gMES/L et une temprature de 271C ................................................................................. 175

Tableau 47 : Rsultats des dviations moyennes entre concentrations en oxygne dissous

(OD) simules et mesures par les capteurs........................................................................... 176

Tableau 48 : Paramtres estims avec la campagne de calage, station de Guthary ............. 179

Tableau 49 : Dviations moyennes relatives et absolues entre les concentrations en

ammoniaque et nitrate simules et mesures pendant la priode de calage, station de Guthary

................................................................................................................................................ 181

Tableau 50 : Temps daration, apports dair journaliers et concentrations moyennes

journalires en NH4+ et NO3

- simules et mesures dans le permat pour les derniers jours de

la priode de calage ................................................................................................................ 181

Tableau 51 : Paramtres de lASM1, valeurs par dfaut et valeurs aprs calage .................. 182

Tableau 52 : Vitesse maximale de nitrification pendant la priode de validation et

concentrations en XBA correspondantes pour A = 0.8 j-1 20C.......................................... 186

Tableau 53 : Concentrations en XBA calcules et simules avec le couple (A, bA) = (0.8 j-1,

0.1 j-1), priode de validation ................................................................................................. 186

Tableau 54 : Taux de croissance A correspondant aux vitesses de nitrification maximale

mesures et aux concentrations XBA simules ....................................................................... 187

Tableau 55 : Concentrations en XBA calcules par les tests de vitesse maximale de nitrification

et par simulation avec le couple (A, bA) = (0.8 j-1, 0.1 j-1), priode de validation................ 187

Liste des tableaux

- 26 -

Tableau 56 : Dviations moyennes relatives et absolues entre les concentrations en

ammoniaque et nitrate simules et mesures pendant la priode de calage, station de Guthary

................................................................................................................................................ 188


Tableau 57 : Principaux paramtres de fonctionnement des BAM de Guthary et Grasse ... 194

Tableau 58 : Valeurs moyennes en COT pour les STEP de Guthary (6 chantillons) et Grasse

(15 chantillons)..................................................................................................................... 199

Tableau 59 : Valeurs moyennes des concentrations en polysaccharides pour les STEP de

Guthary (10 chantillons) et Grasse (14 chantillons) ......................................................... 203

Tableau 60 : Valeurs moyennes des concentrations en protines et substances humiques pour

les STEP de Guthary (9 chantillons) et Grasse (14 chantillons)....................................... 203

Tableau 61 : Concentrations moyennes en PMS pour la station de Grasse et sur une semaine

de ltude de Mass et al. (2006) avec Ab = 110 j et une charge massique de 0.08

kgDCO/kgMVS.j.................................................................................................................... 204

Tableau 62 : Coefficients de corrlation rS pour les concentrations en carbone organique total

et celles en protines et substances humiques pour la STEP de Grasse (p-value < 0.01 pour

toutes) ..................................................................................................................................... 210

Tableau 63 : Corrlations entre la charge massique et les concentrations en cCOT, COD,

cEPSp* et PMSp* dans les boues du BAM de Grasse .......................................................... 212

Tableau 64 : Corrlations entre le produit .C , le ratio MES.C et quelques proprits

physico-chimiques des boues ................................................................................................. 216

Tableau 65 : Coefficients de corrlation entre les caractristiques de la filtration et les autres

paramtres .............................................................................................................................. 218

Tableau 66 : Rcapitulatif des paramtres utiliss pour cette tude ...................................... 221

Tableau 67 : Rcapitulatif des principales relations pour les stations de Guthary et Grasse222

Liste des figures

Liste des Figures

- 29 -


Figure 1: Principe du bioracteur membranes en boucle externe.......................................... 50

Figure 2 : Seuil de coupure des diffrents procds membranaires (ADEME, 2006) ............. 51

Figure 3 : Principe du bioracteur membranes immerges dans le bassin daration........... 51

Figure 4 : Principe du bioracteur membranes immerges dans un compartiment spar ... 52

Figure 5 : Photographie dune cassette de membranes Zenon 500c de la station de Guthary,

sorti pour nettoyage.................................................................................................................. 53

Figure 6 : Photographie dune cassette membranaire Kubota de la station de Le Guilvinec,

avant remplissage des bassins .................................................................................................. 53

Figure 7 : Principe de la dtermination du flux critique par paliers avec retour au palier

prcdent .................................................................................................................................. 59

Figure 8 : Mcanisme du colmatage des flux sous-critiques selon la thorie du flux critique

local (daprs Ognier et al. (2004)).......................................................................................... 61

Figure 9: Interactions entre les diffrents facteurs influenant le colmatage daprs Chang et

al. (2002) .................................................................................................................................. 72

Figure 10 : Concept de BAM avec cloisons, daprs Kimura et al. (2008) ............................. 76

Figure 11 : Fractionnement de la DCO selon lASM1............................................................. 79

Figure 12 : Fractionnement de lazote selon lASM1 avec ajout des fractions inertes selon

lASM3 (en italique) ................................................................................................................ 80

Figure 13 : Processus ASM1, adapt de Gujer et al. (1999).................................................... 81

Figure 14 : Processus ASM3, adapt de Gujer et al. (1999).................................................... 82


Figure 15 : Schma du BAM de Guthary............................................................................... 92

Figure 16 : Vue en coupe du bioracteur de Guthary............................................................. 95

Figure 17 : Systme dacquisition des donnes sur la station de Guthary ............................. 96

Figure 18 : Schma du BAM de Le Guilvinec......................................................................... 98

Figure 19 : Systme dacquisition des donnes de la station de Le Guilvinec ........................ 99

Figure 20 : Schma du BAM de Grasse................................................................................. 100

Figure 21 : Prparation et dosage des chantillons de boues et deaux uses........................ 105

Liste des Figures

- 30 -

Figure 22 : Exemple de comparaison entre donnes de la sonde spectrophotomtrique et du

laboratoire sur chantillons moyens 24h................................................................................ 107

Figure 23 : Montage exprimental pour le test de filtrabilit................................................. 108

Figure 24 : Exemple dune srie de cycles de filtration (exemple de Guthary) ................... 110

Figure 25: Acquisition des donnes sur station dpuration pour le calage dun modle ASM

................................................................................................................................................ 113

Figure 26 : Protocole de calage du modle ASM 1................................................................ 114

Figure 27 : Exemple de test de DBO ultime (eaux uses provenant de la station de Guthary,

le 06/09/2006) ........................................................................................................................ 118

Figure 28 : Mthode n1 de dtermination du fractionnement .............................................. 119

Figure 29 : Mthode n2 de dtermination du fractionnement .............................................. 120

Figure 30 : Dispositif exprimental pour la mesure de la vitesse de nitrification maximale et

lestimation de KNH ................................................................................................................ 122

Figure 31 : Principe du calcul de la respiration rO2 ............................................................... 122

Figure 32 : Calage de loxygne par la mthode classique .............................................. 123

Figure 33 : Calage de loxygne laide de bilans journaliers sur la DCO et lazote ........... 124

Figure 34 : Principe dune campagne de calage - Exemple ................................................... 125

Figure 35 : Schma du bioracteur membranes de Guthary sous le logiciel GPS-X ...... 128

Figure 36 : Mthode de calcul du fractionnement de la DCO par le logiciel GPS-X .......... 130

Figure 37 : Mthode de calcul du fractionnement de lazote par le logiciel GPS-X ........... 130


Figure 38 : Flux entrant sur la station de Guthary, t 2006 ................................................ 135

Figure 39 : Charge massique et concentration en MES dans le bioracteur de la station de

Guthary................................................................................................................................. 136

Figure 40 : Comparaison entre concentrations en MES mesures au laboratoire et celles

affiches par le capteur........................................................................................................... 137

Figure 41 Evolution des ratios MESMVS , MVSX DCO ..................................................... 138

Figure 42 : Mesures doxygne par les deux capteurs au cours dune journe quelconque de

juillet 2006.............................................................................................................................. 139

Figure 43 : Profils des trois oxymtres immergs dans le bassin daration de la station de

Guthary, 8 septembre 2006................................................................................................... 139

Liste des Figures

- 31 -

Figure 44 : Profils des trois oxymtres immergs dans le bassin daration de la station de

Guthary, 9 septembre 2006................................................................................................... 140

Figure 45 : Concentrations moyennes journalires en oxygne dissous avec laration par

fines bulles en marche, pour les deux capteurs (2 et 4m dimmersion respectivement), station

de Guthary t 2006.............................................................................................................. 141

Figure 46 : Evolution des moyennes journalires de la permabilit et de la vitesse de

colmatage de la station de Guthary durant lt 2006 .......................................................... 143

Figure 47 : Evolution de la charge hydraulique et de la charge en DCO sur la station de Le

Guilvinec du 10/03/2006 au 28/05/2006 (gauche) et du 6/03/2007 au 3/09/2007 (droite).... 145

Figure 48 : Evolution de la concentration moyenne journalire en oxygne dissous dans le

bassin daration de la station de Le Guilvinec, 2006............................................................ 147

Figure 49 : Evolution de la permabilit des membranes du compartiment membranaire n1

de la station de Le Guilvinec.................................................................................................. 149





Figure 52 : Evolution de la permabilit des membranes des trois compartiments

membranaires de la station de Le Guilvinec .......................................................................... 151

Figure 53 : Flux entrant sur la station de Grasse, juin septembre 2007 ..............................153

Figure 54 : Charge massique et concentration en MES dans le bioracteur de la station de

Grasse ..................................................................................................................................... 154

Figure 55 : Evolution de la concentration moyenne en oxygne dissous dans le bassin

daration n2 de la station de Grasse .................................................................................... 155

Figure 56 : Evolution des moyennes journalires de la permabilit et de la vitesse de

colmatage de la station de Grasse sur une anne ................................................................... 157


Figure 57 : Concentrations en MES et en MVS simuls et mesures du capteur.................... 169

Figure 58 : Diagramme des tapes permettant la dtermination du couple (A, bA) partir des

tests de mesure de la vitesse de nitrification maximale ......................................................... 172

Liste des Figures

- 32 -

Figure 59 : Exemple de rsultat de simulation du test de nitrification utilise au cours des

tapes 1 et 3 permettant lestimation de couples (A, XBA) ................................................... 173

Figure 60 : Concentrations en biomasse autotrophe XBA : valeurs simules sur les donnes de

la priode de calage pour plusieurs couples (A, bA) et valeurs estimes par les tests de

nitrification ............................................................................................................................. 174

Figure 61 : Variations des concentrations en NH4+ et NO3

- mesures et simules dans la zone

danoxie de la station de Guthary......................................................................................... 177


- mesures et simules dans le bassin

daration de la station de Guthary durant la campagne de calage du 31/07/06, avant calage

................................................................................................................................................ 178


- mesures et simules dans le bassin

daration de la station de Guthary durant la campagne de calage du 31/07/06, aprs calage

................................................................................................................................................ 178

Figure 64 : Concentrations en NH4+ et NO3

- mesures et simules dans le permat de la

station de Guthary................................................................................................................. 180

Figure 65 : Comparaison entre les volumes du bassin daration simul et mesur pendant la

priode de validation, station de Guthary, aot 2006........................................................... 183

Figure 66 : Evolution des concentrations en MES et MVS simules et mesures sur la priode

de validation (aot 2006)........................................................................................................ 184

Figure 67 : Comparaison entre production de boues simule et calcule pour la priode de

validation sur la station de Guthary, Aot 2006................................................................... 184

Figure 68 : Comparaison entre ge des boues simul et calcul pour la priode de validation

sur la station de Guthary, Aot 2006.................................................................................... 185

Figure 69 : Concentrations moyennes journalires en oxygne dissous simules et mesures

par les deux oxymtres pour la station de Guthary durant la priode de calage, aot 2006 185

Figure 70 : Concentrations en NH4+ et NO3

- mesures et simules dans le permat de la

station de Guthary pendant la priode de validation, aot 2006 .......................................... 188


Figure 71 : Evolution de la viscosit durant le suivi de la station de Guthary..................... 195

Figure 72 : Evolution de la viscosit durant le suivi de la station de Grasse.........................195

Figure 73 : Evolution de lindice de boues durant le suivi de la station de Guthary............ 196

Liste des Figures

- 33 -

Figure 74 : Evolution de lindice de boues durant le suivi de la station de Grasse................ 197

Figure 75 : Evolution des concentrations en cCOT et COD durant le suivi de la station de

Guthary................................................................................................................................. 198

Figure 76 : Evolution des concentrations en cCOT et COD durant le suivi de la station de

Grasse ..................................................................................................................................... 198

Figure 77 : Evolution des concentrations en cEPSc durant le suivi de la station de Guthary

................................................................................................................................................ 200

Figure 78 : Evolution des concentrations en cEPSc et PMSc durant le suivi de la station de

Grasse ..................................................................................................................................... 200

Figure 79 : Evolution des concentrations en cEPSp* durant le suivi de la station de Guthary

................................................................................................................................................ 201

Figure 80 : Evolution des concentrations en cEPSp* et PMSp* durant le suivi de la station de

Grasse ..................................................................................................................................... 202

Figure 81 : Distribution des cEPSc et cEPSp* pour la station de Guthary .......................... 202

Figure 82 : Distribution des cEPSc et cEPSp* pour la station de Grasse .............................. 203

Figure 83 : Evolution des paramtres C et MESC durant le suivi de la station de

Guthary................................................................................................................................. 205

Figure 84 : Evolution des paramtres C et MESC durant le suivi de la station de Grasse

................................................................................................................................................ 206

Figure 85 : Viscosit ( 12 s-1) dune boue diffrentes concentrations obtenues par dilution

par de leau dentre et de leau de sortie............................................................................... 208

Figure 86 : Viscosit en fonction de la concentration en MES pour les stations de Guthary et

Grasse ..................................................................................................................................... 208

Figure 87 : Concentrations en carbone organique en fonction des concentrations en protines

des boues de la station de Grasse ........................................................................................... 210

Figure 88 : Relation entre la concentration en carbone organique dissous (COD) dans les

boues du BAM de Grasse avec lge des boues (NB : lchelle des abscisses commence

lge de boues de 15 jours)..................................................................................................... 212

Figure 89 : Charge massique et indice de boues pour la station de Guthary........................ 213

Figure 90 : C. et charge massique pour la station de Guthary, t 2005 (gauche) et t 2006 (droite) .................................................................................................................................... 214

Figure 91 : C. et charge massique pour la station de Grasse, t 2007 ............................... 215

Liste des Figures

- 34 -

Figure 92 : C et ge des boues pour les stations de Guthary (gauche) et de Grasse (droite)

................................................................................................................................................ 215

Nomenclature

Nomenclature

- 37 -

Sigles :

ASM Activated Sludge Model BAM Bioracteur Membranes BAMI Bioracteur Membranes Immerges Cemagref Institut de recherche pour lingnierie de lagriculture et de lenvironnement DCE Directive Cadre sur lEau ERU Eau Rsiduaire Urbaines IAWPRC International Association on Water Pollution, Research and Control IWA International Water Association PCBA Procd Conventionnel par Boues Actives PE Polythylne PVDF Polyvinylidne fluoride SBR Sequencing Batch Reactor STEP Station dpuration WERF Water Environment Research Foundation

Notations :

Ab Age des boues (en jours) bA Taux de dcs de la biomasse autotrophe (en j

-1) bH Taux de dcs de la biomasse htrotrophe (en j

-1) BDCO Fraction biodgradable de la DCO (en gDCO/m3) BSA Serum Albumine Bovin C Concentration en collodes et en MES dans le gteau (kg/m3) cCOT Concentration en carbone organique dans le surnageant de l'chantillon

centrifug 2300G pendant 20 minutes (en mgC/L) cEPSc concentration en carbohydrates (ou polysaccharides) dans le surnageant de

lchantillon centrifug 2300g pendant 20 minutes (en mgGlucose-eq/L) cEPSp concentration en protines dans le surnageant de lchantillon centrifuge

2300g pendant 20 minutes (en mgBSA-eq/L) cEPSp* somme des concentrations en protines et substances humiques dans le

surnageant de lchantillon centrifug 2300g pendant 20 minutes (en mgBSA-eq/L)

COD Concentration en carbone organique dissous (en mgC/L) CST Capillary Suction Time (en min) DBO5 Demande biologique en oxygne sur 5 jours (en mgO2/L) DBOtot DBO ultime (en gDCO/m

3) DCO Demande chimique en oxygne (en mgO2/L)

PlimineDCO Quantit de DCO limine sur la priode P (en kgDCOlimine)

Nomenclature

- 38 -

EH Equivalent Habitant EPS Exopolymres Secrts fDBO Fraction du substrat transform en DCO inerte lors du test de DBO FI Fouling Index fP Fraction inerte de la biomasse IB Indice de boues (en mL/gMES) icv Ratio entre la fraction particulaire de la DCO et la concentration en MVS :

MVSXDCO (en gDCO/gMVS)

iNSI Fraction de lazote dans la fraction soluble inerte de la DCO (en gN/gDCO) iNSS Fraction de lazote dans la fraction soluble biodgradable de la DCO

(en gN/gDCO) iNXS Fraction de lazote dans la fraction particulaire biodgradable de la DCO

(en gN/gDCO) iNXI Fraction de lazote dans la fraction particulaire inerte de la DCO (en

gN/gDCO) ivt Ratio entre les concentrations en MVS et en MES : MESMVS (en

gMVS/gMES) iXB Fraction de lazote dans la biomasse (en gN/gDCO) iXP Fraction de lazote dans la fraction inerte de la biomasse (en gN/gDCO) J Flux de filtration (en L/h.m2 ou LMH) Jc Flux de filtration critique (en L/h.m2 ou LMH) Jp Flux de filtration local (en L/h.m2 ou LMH) k Consistance du fluide (pour les fluides au comportement de type Ostwald) kA Taux dammonification (en j

-1) kDBO Coefficient utilis pour la dtermination de la DBO ultime (en j

-1) kH Taux maximum dhydrolyse (en j

-1) kLa Coefficient de transfert de loxygne en eau claire (en j

-1) kLa Coefficient de transfert de loxygne en boues (en j

-1) KNH Constante de demi-saturation pour les ions ammonium (en gN/m

3) KNO Constante de demi-saturation pour les nitrates (en gN/m

3) KOA Constante de demi-saturation pour loxygne pour la croissance autotrophe

(en gO2/m3)

KOH Constante de demi-saturation pour loxygne pour la croissance htrotrophe (en gO2/m

3) KS Constante de demi-saturation pour la fraction soluble biodgradable

(en gDCO/m3) KX Constante de demi-saturation pour la fraction particulaire lentement

biodgradable (en gDCO/gDCO) LMH L/h/m2 Lp Permabilit (en m

3/m2.s.Pa, unit usuelle : L/h.m2.bar ou LMH/bar)

bouesm Masse de boues prsentes dans la station (en kgMES)

Nomenclature

- 39 -

Pextr. bouesm Masse de boues extraite pendant la priode P (en kgMES)

Pprod. bouesm Masse de boues produites pendant la priode P (en kgMES)

MES Matires en Suspension (gMES/m3)

[ ]textr.MES Concentration en MES des boues extraites linstant t (en kg/m3)

MVS Matire Volatiles Solides (gMVS/m3) n Indice dcoulement (pour les fluides au comportement de type Ostwald) NGl Azote global (en mgN/L) NH4

+ Ammonium (ou par abus de langage ammoniaque, en mgN/L) NO2

- Nitrites (en mgN/L) NO3

- Nitrates (en mgN/L) NTK Azote Kjeldahl (en mgN/L) P Priode tudie (en j)

PPB Production de boues sur la priode P (en kgMES/kgDCOlimine) PMS Produits Microbiens Solubles PMSc Concentration en carbodyrates (ou polysaccharides) solubles (en mgGlucose-

eq/L) PMSp Concentration en protines solubles (en mgBSA-eq/L) PMSp* Somme des concentrations en protines et substances humiques solubles (en

mgBSA-eq/L) PO4

3- Phosphate (en mgP/L) PT Phosphore total (en mgP/L) PTM Pression Trans Membranaire (en Pa ou mbar) PTM20 Pression Trans Membranaire 20C (en Pa ou mbar) PTMT Pression Trans Membranaire la temprature T (en Pa ou mbar) Q Dbit (en m3/j) Qagitateur Dbit spcifique de lagitateur (en m

3/s) textrac.Q Dbit dextraction des boues linstant t (en m

3/j)

QF Dbit de filtration (en m3/s ou L/h)

R Rsistance la filtration (en 1/m) R0 Rsistance au lancement de la filtration (en 1/m) Rc Rsistance due au gteau form sur la membrane (en 1/m) Rf Rsistance due au blocage des pores (en 1/m) Rm Rsistance intrinsque de la membrane (en 1/m) rO2 Respiration de la biomasse (en mgO2/L.h) Rt Rsistance aprs t minutes de filtration (en 1/m) S Surface de la membrane (m2) SDCO Fraction soluble de la DCO (en gDCO/m

3) SI Fraction soluble inerte de la DCO (en mgDCO/L) SND Azote organique soluble (en gN/m

3) SNH Concentration en ions ammonium (en gN/m

3)

Nomenclature

- 40 -

SNO Concentration en nitrates et nitrites (en gN/m3)

SRF Specific Resistance to Filtration (en 1/m2) SS Fraction soluble biodgradable de la DCO (en mgDCO/L) T Temprature (en C) Tb Diamtre du bassin (en m) tcirc Temps de circulation (en s)

extrac.t Temps de marche de lextraction linstant t (en j)

TSH Temps de sjour hydraulique (en jours ou heures) TTF Time To Filter (en min) Vbassin Volume du bassin (en m

3) XBH Biomasse htrotrophe (en mgDCO/L) XBA Biomasse autotrophe (en mgDCO/L) XDCO Fraction particulaire de la DCO (en gDCO/m

3) X I Fraction particulaire inerte de la DCO (en mgDCO/L) XND Azote organique particulaire (en mgN/m

3) XP Fraction particulaire inerte provenant du dcs des bactries (en mgDCO/L) XS Fraction particulaire biodgradable de la DCO (en mgDCO/L) YA Rendement autotrophe (en gDCO/gN) YH Rendement htrotrophe (en gDCO/gDCO) YH,anox Rendement htrotrophe en priode anoxie (en gDCO/gDCO) yj(i) Donne de sortie j pour lanalyse de sensibilit

Lettres grecques :

Rsistance spcifique du gteau dpos sur la membrane (en m/kg) a Rsistance spcifique du gteau dpos sur la membrane pendant le test de

filtratio avec la cellule agite (en m/kg)

ji , Variation relative du paramtre i sur la donne de sortie yj(i) pour lanalyse de sensibilit (en %)

Pbouesm Variation de masse de boues pendant la priode P (en kg)

abs.X Dviation moyenne absolue pour la donne de sortie X (en unit de X)

rel.X Dviation moyenne relative pour la donne de sortie X (en unit de X)

i Perturbation sur le paramtre i pour lanalyse de sensibilit

T Puissance de mlange (en W/kg)

taux de cisaillement ou vitesse de cisaillement ou gradient de vitesse (en 1/s) a Viscosit apparente (en Pa.s) G Facteur de croissance anoxie H Facteur de lhydrolyse anoxie Viscosit du permat (assimile celle de leau, soit 10-3 Pa.s)

Nomenclature

- 41 -

A Taux de croissance des bactries autotrophes (en 1/j) H Taux de croissance des bactries htrotrophes (en 1/j) bA Coefficient de dpendance la temprature du taux de dcs des autotrophes

bA selon la formule : 20T

AA,20TA, bbb=

bH Coefficient de dpendance la temprature du taux de dcs des

htrotrophes bH : 20T

HH,20TH, bbb=

i Paramtre i pour lanalyse de sensibilit A Coefficient de dpendance la temprature du taux de croissance des

autotrophes A : 20T

AA,20TA, =

H Coefficient de dpendance la temprature du taux de croissance des

htrotrophes H : 20T

HH,20TH, =

m Temps de mlange (en s)

Introduction

Introduction

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En France, les 5.6 milliards de m3 deaux uses dorigine domestique sont traites par 16 100 stations dpurations publiques qui sont pour la plupart de taille moyenne petite (Coutelier, 2006). Celles-ci utilisent gnralement le procd conventionnel par boues actives. Dvelopps depuis la fin des annes 1970, les bioracteurs membranes ont tout dabord t utiliss pour le traitement des eaux uses dorigine industrielle. Les premiers bioracteurs membranes tre utiliss pour lassainissement public sont apparus au dbut des annes 2000 en France. Depuis, la technologie est en plein essor sur le march de la construction de stations dpuration ou celui de la rhabilitation danciennes structures. La technologie des bioracteurs membranes emprunte le traitement biologique classique par boues actives des procds conventionnels mais la sparation entre boues actives et eaux traites ne seffectuent plus par un clarificateur mais travers une membrane dultrafiltration. Les avantages sont nombreux comme une excellente capacit puratoire, un gain demprise au sol, ou encore une rtention totale des bactries et accrue pour les virus. Nanmoins, les cots dinvestissement et dopration restent plus levs que pour une station boues actives classique malgr une nette rduction avec lvolution de la technologie et son arrive maturit. Lautomatisme trs prsent sur ces installations mais surtout le phnomne de colmatage des membranes ncessitent un personnel qualifi et form la gestion des caractristiques des membranes. Le colmatage reste dailleurs lun des principaux soucis des exploitants de ces stations. Le besoin dinformations concernant la gestion, loptimisation mais aussi lvaluation des bioracteurs membranes grandit chez les collectivits avec laugmentation des rponses aux appels doffre impliquant cette technologie et aussi chez les exploitants, pour la conduite de ce procd. La modlisation est un outil puissant daide la gestion et la comprhension de systmes complexes comme le sont les bioracteurs membranes. Ainsi, deux aspects de ces procds peuvent tre modliss : le traitement biologique et la filtration. Les modles biologiques ASM (pour Activated Sludge Modelling ), dont le premier a t publi en 1987 (Henze et al., 1987), ont dj prouv leur efficacit pour les procds conventionnels boues actives sur installations pilotes (par exemple : Stricker (2000), Choubert (2002)) et sur installations relles (par exemple : Marquot (2006)). Par contre, les tudes de modlisation concernant les bioracteurs membranes sont plutt rares et aucune ne sest attache au calage complet dun modle ASM sur une installation relle. Les modles de filtration et de dtermination du colmatage sont, quant eux, ltat de recherche sur installations pilotes. Plusieurs modles existent mais aucun nest vraiment transfrable sur installations relles du fait du grand nombre de paramtres estimer. De plus,

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les facteurs agissant sur le colmatage et permettant donc de le prdire sont connus mais lintensit de cette influence et leur capacit de prdiction du phnomne de colmatage restent encore floues. En effet, des dsaccords existent sur plusieurs de ces paramtres au sein de la communaut scientifique (par exemple sur la rpartition des rles dans le colmatage des particules solides, des collodes et des matires solubles). Ainsi, lobjectif principal de ce projet a t dtudier les possibilits de modlisation des bioracteurs membranes rels. Trois installations de taille industrielle ont t suivies au cours de ce travail : les stations de Guthary, Le Guilvinec et Grasse. Lacquisition des donnes sur ces bioracteurs membranes et lanalyse des prlvements deaux dentre, de sortie et des boues ont permis la ralisation de cette tude. Les capacits de ce procd de traitement des eaux uses ont t values sur ces trois stations. Le calage du modle ASM1 a t effectu dans le but de prouver la capacit de ce modle simuler le fonctionnement biologique des bioracteurs membrane. Paralllement, ltude des proprits physico-chimiques des boues et de leurs interactions avec les conditions opratoires et le colmatage a t ralise avec pour objectifs la caractrisation du systme membrane/boue et la dfinition des paramtres importants influenant le colmatage sur installations relles. Ce travail est prsent sous la forme dun mmoire comprenant cinq parties :

- Une synthse bibliographique regroupant les principaux travaux concernant le colmatage des membranes, une introduction la modlisation biologique par les modles de type ASM et les tudes de modlisation de bioracteur membranes

- La prsentation du matriel et des mthodes utilises pendant cette tude : les trois

stations dpuration suivies, les mthodes de dosage chimique et les tests physiques utiliss sur les boues actives, et le protocole de calage du modle ASM1 adapt aux bioracteurs membranes

- Ltude des procds sur les trois sites : le descriptif des suivis et les volutions des

principales conditions opratoires ainsi que le choix de la station modliser (station de Guthary)

- Le calage du modle ASM1 pour la station de Guthary incluant le calage de lapport

doxygne au systme, lestimation des paramtres cintiques et stchiomtriques, les problmes rencontrs et leur rsolution, la validation du modle et une conclusion sur la modlisation ASM1 pour les bioracteurs membranes

- Ltude des proprits physico-chimiques des boues de deux stations (Guthary et

Grasse) et leurs interactions avec les conditions opratoires de fonctionnement mais surtout avec les caractristiques de la filtration incluant galement une comparaison des deux sites dtude

Partie n1 : Synthse bibliographique

Synthse Bibliographique

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I - Les bioracteurs membranes

I.1. Un peu dhistoire

I.1.1. Introduction au traitement des eaux uses

Dans un article paru en 1986 dans le journal La Tribune du Cebedeau, Boutin relate de faon dtaille lhistoire du traitement des eaux uses. Cest au dbut du 19ime sicle Londres et Paris que se dveloppe peu peu la collecte des eaux uses par les rseaux dgouts, premire tape dans le domaine de lpuration (Boutin, 1986). Ainsi, en 1832, la grande pidmie de peste et de cholra fait sentir le besoin dun vrai rseau dassainissement Paris du fait du manque dhygine. En effet, jusqu cette date, les matires fcales et les urines taient rcupres dans des fosses tanches quil fallait vidanger tous les deux ans (Vedry, 1996). Paris adopte alors un rseau unitaire (o eaux uses et eaux de ruissellement ne sont pas spares) au contraire de Londres qui opte pour un rseau sparatif. Dans les deux cas, les eaux uses sont directement rejetes dans les fleuves (la Seine et la Tamise), causant des manations dodeurs pestilentielles qui, ds 1847, commencent poser des problmes Londres. Lpandage est alors rapidement adopte comme solution alternative, mais il demande une surface importante (11L par m2 de surface, Vedry (1996)). Dautres techniques sont dcouvertes la mme poque (milieu du 19ime sicle) : la dsinfection, la filtration et la dcantation. Ensuite, les lits bactriens font leur apparition dont Warington posera les bases en 1882 et Corbett ajoutera laration du lit et le drainage de leffluent en 1889. Deux types de lits sont en concurrence : les lits bactriens percolation et les lits contact. Ces derniers vont peu peu tre dlaisss au profit des premiers qui se dvelopperont rapidement, notamment en Angleterre avec 120 systmes installs en 1907 (pour 22 en Allemagne et quelques unes en France, Calmette (1907)). Puis, cest le systme des boues actives qui est dcouvert par Ardern et Lockett qui, entre 1914 et 1915, firent trois communications et dposrent un brevet sur cette technique. Paralllement, la socit britannique Jones and Attwood travaillaient sur des procds daration ds 1913 et cest ainsi quen 1916, la premire station dpuration base du procd par boues actives fut installe Worcester avec un dbit nominal de 7 500 m3/j. Ensuite, avec larrive de la Premire Guerre Mondiale, les amricains ont pris le relais du dveloppement du traitement par boues actives avec les premires installations de taille importante : Milwaukee II avec 170 000 m3/j en 1925 et Chicago en 1927 avec un dbit de 660 000 m3/j (Boutin, 1986). Concernant les autres procds de traitement des eaux uses, la digestion anarobie a t initie en Angleterre par le docteur Travis puis perfectionne en 1905 par le docteur Imhoff en


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Allemagne. Cest en 1874 que le docteur Grardin eu lide dutiliser des vgtaux dans des bassins pour traiter les eaux uses et il posa ainsi les bases du lagunage. La station dpuration de Strasbourg, la Wantzenau, exploita ce procd pour traiter les eaux uses de la ville de 1911 1950. Des carpes et des truites y taient mme leves et le produit de la vente de ces poissons permettaient dentretenir la station (Vedry, 1996).

I.1.2. Lapparition des bioracteurs membranes

Cest en observant la nature que lhomme y a gnralement tir ses meilleures dcouvertes. Ainsi, les membranes utilises pour la filtration dans le domaine du traitement des eaux sinspirent directement des membranes que lon trouve dans les milieux naturels comme celles des cellules vivantes (Wilderer et Paris, 2007). En effet, ces dernires servent de frontire entre les mondes intrieur et extrieur mais aussi de moyen de transport slectif des molcules ainsi que de lieux pour des ractions biochimiques. Les membranes sont dabord apparues dans le domaine de leau potable puis elles ont investi les eaux uses o elles ont remplac le clarificateur pour la sparation de la boue et de leau traite. Cest la fin des annes 60 que des ingnieurs de la socit Dorr-Oliver (Rugby, Royaume-Uni) dvelopprent les premiers bioracteurs laide de membranes dultrafiltration (Smith et al., 1969). Associ Sanki Engineering Co. Ltd (Nihonbashi-Muromachi, Japon), Dorr-Oliver entra sur le march japonais au dbut des annes 1970 o les bioracteurs membranes (BAM) connurent un fort essor. Ainsi, ils taient dj largement rpandus dans les annes 80 au Japon pour le traitement des eaux rsiduaires urbaines (ERU) et en particulier pour la rutilisation de leau dans les immeubles japonais. Les membranes taient utilises en boucle externe, situes lextrieur du bassin entranant et non immerges alors des cots levs en consommation nergtique. Cest pourquoi, en dehors du Japon, le procd restait peu utilis et plutt restreint au traitement des eaux industrielles. Parmi les autres procds qui se sont dvelopps ces dernires annes, tels les biofiltres, les BAM ne constituent pas seulement une lgre amlioration du systme conventionnel par boues actives. En effet, les membranes dultrafiltration permettent dobtenir une qualit deau qui la rend rutilisable sous certaines conditions (arrosage municipal, procds industriels, prtraitement pour potabilisation, ). Le dveloppement des procds membranaires en eaux uses nen est encore qu ses dbuts mais leur capacit produire une eau qui soit rutilisable reprsente sans doute une tape importante dans le domaine du traitement des eaux rsiduaires urbaines.


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I.2. Principe des bioracteurs membranes

I.2.1. Les bioracteurs boucle externe

La Figure 1 propose le schma dun bioracteur membranes utilises en boucle externe. La membrane, remplaant le clarificateur dans le rle de sparation des matires solides et de leau traite, offre une barrire infranchissable pour les matires en su

calageasm1##delrue florian 2008

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