Mise en oeuvre, modélisation, optimisation et contrôle d'un procédé discontinu séquentiel (SBR) : application au traitement du carbone, de l'azote, du phosphore et des matières en suspension d'eaux résiduaires urbaines

Setting up, modelisation, optimization and control of a sequencing batch reactor : application to the removal of carbon, nitrogen, phosphorus and total suspended solids from urban wastewater

• Auteur / Autrice : Magali Casellas-Français
• Direction : Christophe Dagot, Michel Baudu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et microbiologie de l'eau
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Eau -- Qualité -- Gestion

Eaux usées -- Épuration -- Réacteurs biologiques séquentiels

Eaux usées -- Épuration -- Déphosphatation

Modèles mathématiques

Eaux usées -- Épuration -- Dénitrification

Mots clés libres

Modélisation (ASM1 et Takacs)

Décantabilité

Contrôle (pH, potentiel rédox, oxygène dissous)

Résumé

L’optimisation du traitement des eaux urbaines nécessite la mise en place de procédés fiables et un contrôle rigoureux du fonctionnement. Dans ce cadre, le procédé discontinu séquentiel SBR (sequencing Batch reactor) consistant en la succession de phases de réaction, de décantation et de purge au cours du temps est étudié. A cette fin, une méthodologie de développement fondée sur l’exploitation de résultats de simulations mathématiques, d’expérimentations en laboratoire, d’extrapolation à pleine échelle, et de protocoles de contrôle simples mais robustes est présentée. Le simulateur de procédé de traitement de l’eau ( « Benchmark ») associe un modèle de traitement des eaux (ASM n°1 de HENZE et coll. , 1986) et un modèle de décantation (TACKACS et coll. , 1991). L’association de ces deux modèles permet de simuler le fonctionnement d’un système d’épuration à boues activées. Une étude bibliographique exhaustive a permis de dégager des scénarios de fonctionnement d’un SBR susceptibles d’aboutir au traitement du carbone, de l’azote, du phosphore et des MES contenus dans une eau usée urbaine. Les différents cycles sont testés afin de dégager deux procédures : un cycles long et un cycle court. L’utilisation du Benchmark, suite à une mise en place critique de procédures d’identification des variables d’entrée des modèles, est étendue à l’élaboration de différentes stratégies d’amélioration de l’élimination de l’azote. Cette étude, couplée à une étude expérimentale de la déphosphatation, a abouti à la définition d’un cycle de 24 heures, améliorant les cinétiques de dénitrification et mettant en exergue les problèmes liés à la variation temporelle de la charge d’entrée. Afin d’y remédier, une méthode de contrôle et de fiabilisation du fonctionnement, fondée sur l’utilisation conjointe de trois capteurs : pH, potentiel rédox, oxygène dissous, est présentée et mise en oeuvre à l’échelle semi-industrielle.

Wastewater treatment optimization requires the installation of reliable processes and a control of operating conditions. In this context, discontinuous processes like SBR, working on the principle of alternating reaction, settling and purge phases is investigated. A development process methodology based on the use of mathematical simulations, lab scale experiments, full scale extrapolation and simple but robust control strategies is reported. The Benchmark of wastewater treatment associates a wastewater treatment model (ASM n°1 ofHENZE et al. , 1986) and a settling conditions model (TACKACS et al. , 1991). Combining both models allows for the simulation of an activated sludge process operation. An exhaustive bibliographic study could highlight different scenarios of SBR operations able to achieve carbon, nitrogen, phosphorus and total suspended solids removal. Different time delays were investigated in order to identify two particular operating conditions : short cycles and long cycles. The use of the Benchmark associated with a critical identification of incoming variables of the model, was extended to the development of strategies for nitrogen removal improvement. This study, combined with an experimental study of phosphorus removal allowed to define a 24 hours cycle, improving denitrification rates but also highlighting problems related to temporal variations of incoming load. In order to solve this problem, a special procedure , based on the use of three sensors : pH, ORP, dissolved oxygen, was investigated and full scale commissioned, in order to control with accuracy operating conditions.