Optimisation et modélisation du traitement combiné biologique et physico-chimique du phosphore dans les stations d'épuration avec aération alternée

Optimization and modeling of combined biological and physical-chemical phosphorus removal in wastewater treatment plants with intermittent aeration

• Auteur / Autrice : Erika Varga
• Direction : Mathieu Sperandio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Eveline Volcke
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Alliet, Sylvie Gillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eveline Volcke, Anna Mikola

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fer -- Réduction par les bactéries

Phosphore

Mots clés libres

Modélisation

Elimination du phosphore

Reduction du fer

Modeling

Phosphorus removal

Iron reduction

Résumé

L'objectif de la thèse est d'analyser les problèmes opérationnels et de modéliser l'élimination des nutriments dans les petites/moyennes installations qui mettent en œuvre une élimination combinée biologique et physico-chimique du phosphore. Le procédé étudié utilise une aération alternée optimisée pour une élimination complète de l'azote par nitrification et dénitrification, un système très représentatif en France. Comme une zone anaérobie est également présente, l'élimination biologique du phosphore est effectuée et combinée avec l'ajout de FeCl3 pour garantir que la qualité des effluents est conforme aux normes de l'UE. Afin de maximiser la fraction biologique de l'élimination du P, les paramètres d'aération et les temps de rétention aérobie/anoxique/anaérobie ont été analysés et optimisés par la programmation d’un système de contrôle automatisé. La libération de P secondaire lors de l’extraction intermittente des boues (et le retour de la liqueur de boue dans la zone anaérobie) a été observée. Une relocalisation du dosage de fer a été proposée du bassin d'aération vers spécifiquement la liqueur de boue avant son retour en tête. Ce changement permet à l’opérateur d'économiser sur les coûts des produits chimiques. Pour évaluer d'autres scénarios, des simulations ont été réalisées avec le logiciel Sumo. La simulation du procédé en fonctionnement régulier a mis en évidence quelques écarts de modélisation propres à ces conditions, à savoir les rejets de phosphore (en bassin non aéré et rejet secondaire lors de la déshydratation) et les transformations redox du Fer dans les boues activées. Plusieurs expériences spécifiques ont été menées pour répondre à ces questions. Comme la récupération du P est une préoccupation émergente (et mal mise en œuvre pour les usines de petite/moyenne taille), il est essentiel d'analyser ces interactions en détail afin de trouver un produit de récupération idéal pour chaque condition. Les boues physico-chimiques, contenant du fer, sont idéales pour la récupération de vivianite, pour laquelle une compréhension approfondie de la réduction du fer est essentielle. Cette thèse présente une étude complète des procédés de réduction du fer dans les boues activées. Avec les résultats des expériences, les observations dans l'installation et la littérature des recherches antérieures, des modifications/extensions au modèle ont été recommandées. Le modèle a été calibré par rapport à de nombreuses données de l'installation avec différentes conditions d'exploitation et des données mesurées à partir d'essais de réacteurs discontinus. Le modèle calibré peut simuler correctement le fonctionnement de l'installation dans différentes conditions et peut également être utilisé pour évaluer différents scénarios de traitement et de récupération.

The aim of the thesis is to specify and analyze operational and modelling issues regarding nutrient removal in small/medium facilities that implement combined biological and physical-chemical phosphorus removal. The facility, presented as a case study (Villefranche de Lauragais, France) uses alternated aeration optimized for complete nitrogen removal through nitrification and denitrification, a very representative system in France. As anaerobic zone is also present in the plant, biological phosphorus removal is carried out with FeCl3 addition to ensure that the effluent quality is satisfactory to EU standards. To maximize the biological fraction of the P removal, the aeration settings and aerobic/anoxic/anaerobic retention times were analyzed to evaluate the programming of the schedule. Secondary P release upon intermittent sludge wastage (and sludge liquor return to anaerobic zone) was observed and eventual relocation of the iron dosage was proposed from the aeration tank to specifically to the return sludge liquor. This change allows the facility to spare chemical costs. To evaluate further scenarios, simulations were carried out with Sumo software. The calibration of the configuration under regular operation pointed out some discrepancies of modelling specific to these conditions, namely phosphorus release (in unaerated tank and secondary release during dewatering) and Fe redox transformations in activated sludge. Several specific experiments were carried out to address these questions. As P recovery is an emerging concern (and poorly implemented for small/medium size plants) it is essential to analyze these interactions in detail in order to find an ideal recovery product for each conditions. Chemical sludges, containing iron are ideal for vivianite recovery, to which deep understanding of iron reduction is essential. This thesis presents a comprehensive study of iron reduction processes in activated sludge. With the results of the experiments, observations at the facility and literature of previous research, modifications/extensions to a full plant model have been recommended. The model has been calibrated against extensive data from the facility with different operating conditions and measured data from batch reactor tests. The calibrated model can properly simulate the operation of the facility under different conditions and can be used to evaluate different scenarios for treatment and recovery as well.