Contribution à la modélisation et à l'optimisation des bioréacteurs à membranes immergées (BRM) pour le traitement des eaux usées urbaines

par Oualid Boughzala

Thèse de doctorat en Biotechnologies agroalimentaires

Sous la direction de Ridha Mosrati.

Soutenue en 2015

à Caen , dans le cadre de École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime) , en partenariat avec Aliments bioprocédés toxicologie environnements (Caen ; 2012-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Roche.

Le jury était composé de Ridha Mosrati, Nicolas Roche, Marc Héran, Henda Zoghlami-Mosrati.

Les rapporteurs étaient Nicolas Roche, Marc Héran.

mots clés

• Optimisation
• Réacteurs à membrane -- Thèses et écrits académiques
• Bioréacteurs -- Thèses et écrits académiques
• Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées -- Thèses et écrits académiques
• Modèles mathématiques -- Thèses et écrits académiques
• Produits microbiens solubles -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Le bioréacteur à membranes immergées (BRM) est une technologie performante pour le traitement des eaux usées urbaines. Elle améliore leur épuration et permet de délivrer un effluent exempt de matières en suspension. Toutefois, du fait de la rétention partielle de certains produits microbiens solubles (SMP), il est nécessaire de bien gérer le colmatage et d’optimiser l'utilisation des membranes. Cela nécessite une bonne connaissance et une modélisation fiable des processus microbiens impliqués. Les modèles ASM classiques montrent des écarts importants par rapport au fonctionnement réel des BRM. Le calibrage des paramètres des modèles existants s'avère complexe et délicat. Ce travail présente une synthèse et une analyse critique des principaux développements sur les SMP. Un modèle original basé sur l'ASM1 est alors proposé. Il décrit les processus biologiques associés aux SMP et prend en compte leur rétention partielle par les membranes. Ce nouveau modèle a nécessité la reformulation de certaines variables du ASM1 et l'introduction de nouvelles. Il a été testé et validé sur des données réelles de BRM, données issues de la littérature, couvrant différentes configurations (aérobie avec ou sans anoxie) et échelles (laboratoire, pilote et STEP). Le modèle intègre également les effets de la concentration en MES sur les constantes associées à l'utilisation de l'oxygène et plus généralement, les effets de la température. Enfin, il a été utilisé pour réaliser une étude sur l’optimisation du fonctionnement des BRM. Cette étude met en avant l'importance du choix des consignes en oxygène dissous, en relation avec la température, sur la qualité de traitement ciblée.

Titre traduit

Contribution to modeling and optimization of submerged membrane bioreactors (MBR) for wastewater treatment

Résumé

Membrane bioreactor (MBR) is a powerful technology for wastewater treatment; it improves their purification and allows delivery a free suspended solids effluent. However, due to the partial retention of certain soluble microbial products (SMP), it is necessary to manage the fouling and optimize the use of membranes. This requires a good knowledge and reliable modeling of microbial processes involved. The use of conventional activated sludge models (ASM) shows significant deviations compared to the actual operation of MBR. The calibration of existing models parameters proves to be complex and delicate. This work presents a synthesis and a critical analysis of the principal developments on SMP. An original model based on the ASM1 is then proposed. It describes the biological processes associated to SMP and considers their partial retention by membranes. This new model has required the reformulation of certain variables of the ASM1 and the introduction of new ones. It was tested and validated on real data of BRM, data resulting from the literature, covering various configurations (aerobic with or without anoxic) and scales (laboratory, pilot, and MBR plant). The model also integrated the total suspended solids (TSS) effects on the oxygen uptake constants and more generally, the temperature effects. Finally, the model was used to optimize the BRM performance, highlighting the importance of choosing dissolved oxygen set-point, in relation with temperature, on targeted quality treatment.