Evaluation d'un système de traitement à base de biomasse végétale pour le traitement décentralisé des eaux usées : du pilote à l'échelle industrielle

Evaluation of a lignocellulosic biomass-based processing system for decentralized wastewater treatment : from pilot plant to full-scale

• Auteur / Autrice : Jésus Villalobos Garcia
• Direction : Claire Albasi, Claire Vialle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 15/06/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Stephen Gray
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Albasi, Claire Vialle, Christophe Dagot, Pascal Molle, Gérard Vilarem
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Dagot, Pascal Molle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse végétale

Eaux usées -- Épuration -- Traitement biologique

Mots clés libres

Petites installations autonomes

Assainissement non collectif

Biomasse végétale

Traitement des eaux usées

Milieu filtrant

Valorisation

Onsite sewage facilities

Onsite wastewater treatment

Lignocellulosic biomass

Wastewater treatment

Filter media

Valorisation

Résumé

L'assainissement a de tout temps été une préoccupation majeure pour des questions d'hygiène et de santé publique. Une installation d'assainissement non collectif (ANC) assure la collecte, le transport, le traitement et l'évacuation des eaux usées domestiques. En France, l’ANC représente 20 % des installations de traitement des eaux usées domestiques. Cela concerne une population de 12 millions d'habitants, soit environ cinq millions d'installations en zones rurales. Parmi les technologies utilisées dans l’ANC, les systèmes de filtration biologique utilisant un milieu filtrant sont souvent mis en oeuvre. Le traitement des eaux usées (élimination des matières en suspension et de la matière organique) est effectué par les actions conjointes de filtration, et de biodégradation par des bactéries se développant au sein du milieu filtrant. Historiquement, des matériaux comme le sable et la tourbe sont les plus utilisés, et plus récemment des milieux à base de copeaux de coco venus remplacer la tourbe dont l’extraction est interdite, sont en développement croissant. Cependant, l’empreinte carbone produite par l'importation depuis l'étranger de matériaux tels que ce dernier est très importante. Dès lors l’utilisation de sousproduits agro-industriels locaux pourrait la diminuer et rendre l’utilisation de ces nouveaux milieux filtrants plus compatible avec des critères environnementaux. Le premier objectif de cette thèse est de déterminer le degré de fiabilité en conditions réelles d’un milieu filtrant innovant d’origine végétale ayant fait ses preuves en conditions de laboratoire. L’étude est basée sur la mise en parallèle de résultats obtenus en laboratoire et sur le terrain. Au laboratoire, une approche hydraulique a permis de caractériser le fonctionnement du lit filtrant. Sur le terrain, l’évaluation d’un filtre compact qui fonctionne de façon continue depuis plus de quatre ans et de cinq autres installations a été réalisée. Pour l’ensemble des installations, le milieu filtrant testé permet d’obtenir une qualité des eaux rejetées en accord avec la règlementation en vigueur. Les pourcentages moyens de réduction estimés de la DCO, de la DBO5 et des MES sont respectivement de plus de 79 %, 98 % et 88 %, confirmant ainsi la forte dégradation de la matière carbonée et de la pollution particulaire. Le second objectif de cette thèse consiste à établir un jeu de paramètres physicochimiques permettant de guider le choix de nouveaux matériaux potentiellement utilisables en ANC. Pour ce faire, la caractérisation des paramètres physicochimiques clés de nouveaux matériaux et des paramètres hydrauliques des lits filtrants correspondants a été effectuée. Une analyse statistique a permis d’étudier les corrélations entre ces paramètres et les performances épuratoires des matériaux. Au final, une méthodologie de sélection a été proposée.

Sanitation has always been a major concern for hygiene and public health issues. An on-site sewage facility (OSSF) ensures the collection, transportation, treatment and disposal of domestic wastewater. In France, the OSSF represents 20% of domestic wastewater treatment facilities. This represents a population of 12 million or about five million rural settlements. Among the technologies used in the OSSF, biological filtration systems using a filter media are often implemented. The treatment of wastewater (removal of suspended solids and organic matter) is carried out by the joint actions of filtration, and biodegradation by bacteria developing within the filter media. Historically, materials such as sand and peat are the most used. More recently coconut-based media to replace peat, the extraction of which is prohibited, are in increasing development. However, the carbon footprint of foreign imports of materials such as coconut is very important. Therefore, the use of local agro-industrial by-products could reduce the carbon footprint and make the use of these new filter media more compatible with environmental criteria. The first objective of this PhD thesis is to determine the degree of reliability under real conditions of an innovative filtering medium of lignocellulosic origin that has been proven successful in laboratory conditions. The study is based on the comparison of results obtained in the laboratory and in the field. In the laboratory, a hydraulic approach allowed the characterisation of the filter bed operation. In the field, the evaluation of a compact filter that has been running continuously for more than four years and five other installations has been completed. For all installations, the filter media tested allowed a quality of the discharged water in accordance with the current regulations. The estimated average reduction percentages of COD, BOD5 and TSS, are respectively over 79%, 98% and 88%, thus confirming the important degradation of the organic matter and particulate pollution. The second objective of this PhD thesis is to establish a set of physicochemical parameters to guide the choice of new materials potentially usable in OSSF. To do this, the characterisation of the key physicochemical parameters of new materials and the hydraulic parameters of the corresponding filter beds were carried out. Statistical analysis made it possible to study the correlations between these parameters and the purification performances of the materials. In the end, a selection methodology has been proposed.