Modélisation de la stabilisation de l’urine par nitrification au sein d’un bioréacteur à membrane

Modeling urine stabilization by nitrification in a membrane bioreactor

• Auteur / Autrice : Juan David Arce Velasquez
• Direction : Julien Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés - Traitement des eaux
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Héran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Laurent, Marc Héran, Kai M. Udert, Jean-Marc Choubert, Fabien Esculier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Héran, Kai M. Udert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande de processus biotechnologiques

Nitrification

Biotechnologie

Analyse d'urine

Modèles mathématiques

Réacteurs à membrane

Mots clés libres

Urine

Séparation à la source

Traitement des eaux jaunes

Nitrification

Bactéries nitrifiantes

Boues activées

Acclimatation

Inhibition

Modélisation

Modèles intégrés

Respirométrie

Contrôle du procédé

Urine

Source separation

Yellow wastewater treatment

Nitrification

Nitrifying bacteria

Activated sludge

Acclimation

Inhibition

Modelling

Integrated models

Respirometry

Process control

Résumé

Dans cette thèse, la conceptualisation d'un modèle biocinétique ainsi qu'une analyse expérimentale d'un système de bioréacteur à membrane traitant des eaux usées jaunes (urine) sont présentées. Le système est un bioréacteur à membrane conçu pour traiter l’urine séparée à la source. L’objectif principal est de traiter la charge azotée dans l’urine par nitrification biologique et d’en produire un effluent stable. Cette thèse développe et valide un modèle intégré qui représentera le comportement du bioréacteur en échelle réelle. Ce modèle permettra de simuler différentes conditions de fonctionnement, ainsi que l’intégration de processus physico-chimiques et biologiques, en comprenant les différents mécanismes d’assimilation/inhibition influençant les bactéries nitrifiantes. Le calage et la validation du modèle exigent un pilote de laboratoire pour acclimater les boues activées classiques à traiter fortes charges en azote. Une stratégie d’acclimatation basée sur le contrôle du pH a permis de démarrer et piloter le système de façon autonome. Ce protocole d’acclimatation a été optimisé pour utiliser de l’urine hautement concentré. Les paramètres du modèle ont été calés par mesures respirométriques dans ces conditions de haute teneur en azote.

N this thesis, the conceptualization of an integrated physico-biological model, as well as an experimental analysis of a biological system treating yellow wastewater are presented. The system is a membrane bioreactor designed to treat source separated urine. The main objective is to treat the nitrogen load in the urine by biological nitrification and produce a stable effluent. This thesis develops and validates an integrated model that will represent the bioreactor's behavior on a real scale. This model will simulate different operating conditions, as well as the integration of physico-chemical and biological processes, by understanding the different assimilation/inhibition mechanisms influencing nitrifying bacteria. The calibration and validation of the model requires a laboratory pilot to acclimatize conventional activated sludge to high nitrogen loads. A pH control driven strategy was developed for the acclimation phase, allowed the system to be started and controlled automatically. This acclimation protocol was optimized to use highly concentrated urine. The model parameters were calibrated by respirometric measurements under these high nitrogen conditions.