Modélisation et simulation d'un bioréacteur à membranes immergées pour le traitement des eaux usées urbaines et hospitalières

Modelling and simulation of a Submerged Membrane Bioreactor for the treatment of urban and hospital wastewater.

• Auteur / Autrice : Yusmel González Hernández
• Direction : Claire Albasi, Ulises Javier Jauregui Haza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Instituto superior de Tecnologias Y Ciencias Aplicadas de Cuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement d'accueil : Instituto superior de Tecnologias Y Ciencias Aplicadas de Cuba
• Jury : Président / Présidente : Ileana Pereda Reyes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Albasi, Ulises Javier Jauregui Haza, Ileana Pereda Reyes, Galo Carillo Le Roux, Carlos Moron-Alvarez, Marion Alliet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Galo Carillo Le Roux, Carlos Moron-Alvarez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants organiques persistants

Eaux usées

Mots clés libres

Modélisation

Simulation

Bioréacteur à membranes immergées

Eaux usées

Polluants persistants

Modelling

Simulation

Submerged membrane bioreactor

Wastewater

Persistent Pollutants

Résumé

Dans cette thèse, la modélisation d'un bioréacteur à membranes immergées (BaMI) et son évaluation avec des valeurs expérimentales de BaMI à l'échelle du banc et à l'échelle pilote pour le traitement des effluents résiduels urbains et hospitaliers, ont été étudiées respectivement. L'objectif principal de ce travail était de développer un nouveau modèle intégré plus phénoménologique pour la description du fonctionnement de ces systèmes. A cet effet, un nouveau modèle biologique a été développé en utilisant le modèle de boues activés 3 (ASM3 du l’anglais activated sludge model) et en tenant en compte la croissance et le stockage de substrat simultané, et la production de substances polymères extracellulaires solubles et liées, qui, conjointement avec des solides en suspension totales ont été les principales variables de lien avec le nouveau modèle de colmatage de la membrane, en tenant compte de l'influence de ces substances sur la porosité du gâteau. Une nouvelle procédure d'identification des paramètres pour la calibration en prenant en compte leurs influence sur le modèle et leur incertitude a été développé. Cette procédure a permis de calibrer et de valider avec succès les nouveaux modèles développés, en utilisant les données des systèmes étudiés. Parallèlement, une nouvelle méthodologie a été développée pour le fractionnement de la matière carboné selon les modèles ASM en tenant compte du phénomène de stockage du substrat. Enfin, une étude de la sensibilité paramétrique a été réalisé, où le modèle intégré a répondu de manière adéquate aux variations des principales variables qui influent sur le colmatage de la membrane, avec une élevée correspondance entre la plupart des cas et ce qui a été rapporté dans la littérature, mettant en évidence une fois de plus le caractère phénoménologique et la validité du nouveau modèle développé.

This thesis presents the modelling of a submerged membrane bioreactor (SMBR) using experimental values coming from SMBR at bench and pilot scale, for the treatment of urban and hospital wastewater respectively. The main objective of this work was to develop a global model integrating a biological model and a model for membrane fouling, with upgraded precision, consistency and calibration in the description of the functioning of these systems. For this, concerning the biological model, an evolution of the Activated Sludge Model 3 (ASM3), including the simultaneous growth and substrate storage, and the bound and soluble extracellular polymeric substances (EPS) production was proposed. The concentration of these EPS joined to those of the total suspended solids (TSS) are the variables transmitted to the new version of the membrane fouling model. This last one can take into account the influence of these substances in the cake porosity. A new procedure was developed to calibrate the parameters taking into account their influence on the model and their uncertainty. This procedure used the data obtained on experimental SMBR and respirometry. It allowed the calibration and successful validation of the developed model. At the same time, a methodology was adapted for the carbon material fractionation according to the ASM models taking into account the phenomenon of substrate storage. Finally, a parametric sensitivity study was conducted, where the global model achieved to respond adequately to the perturbations of the main variables that influence on the membrane fouling process. The high correspondence obtained between numerical and experimental results, as well as the ability of the model to explain most of the cases reported in the literature, evidence the relevance of phenomena considered in the model. Thus, the developed model is justified and the interest of the phenomenological feature of the model is highlighted.