Etude de la biofiltration en assainissement: Recherche des conditions optimales pour limiter le colmatage irréversible et les émissions de protoxyde d'azote

Biological Aerated Filter in water treatment study: Optimal conditions to limit irreversible clogging and nitrous oxide emissions

• Auteur / Autrice : Beatriz Gonzalez vazquez
• Direction : Mathieu Sperandio, Jean-Marc Choubert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/10/2021
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SYMBIOSE - Ecosystèmes microbiens et bioprocédés d'épuration et de valorisation
• Jury : Président / Présidente : Anna Mikola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Sperandio, Paul Lessard, Jean-Marc Choubert, Zhujun Huang, Kim Sorensen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Mikola, Paul Lessard

Mots clés

Mots clés libres

Emissions de N2O

Modélisation

Colmatage irréversible

Biofiltration

N2O emissions

Biological Aerated Filter

Modelling

Clogging

Résumé

Le travail de recherche proposé concerne l'optimisation du procédé de biofiltration en assainissement. La biofiltration est un procédé traitement des eaux résiduaires par lit filtrant réalisant la séparation des matières en suspension et l’oxydation biologique (carbone, azote) dans un même ouvrage. Trois phases sont mises en jeu dans le procédé : un support pour la croissance microbienne et la filtration, l’eau et les polluants à traiter dans laquelle le solide est immergé, et une phase gaz provenant de l’injection d’air ou produite par l’activité microbienne. Le sujet rassemble plusieurs dysfonctionnements et problématiques rencontrées actuellement dans l'exploitation de ce type de procédé. Lors du traitement, on observe une diminution progressive de la porosité du lit filtrant (résultant de la rétention des matières en suspension et du développement du biofilm), une augmentation de la perte de charge. Il en résulte également une réduction de la diffusion de l’oxygène au sein du biofilm, et potentiellement une augmentation des émissions de protoxyde d’azote (puissant gaz à effet de serre). Les paramètres à l'origine du colmatage irréversible ont été identifiés et des indicateurs vers une situation de dérive vers le colmatage ont été proposés ainsi que des mesures curatives lorsque le colmatage est atteint. Une meilleure compréhension des mécanismes se déroulant lors des lavages a permis de lier le colmatage durant le traitement à l’état de la matière stockée dans la porosité pendant les différentes séquences des lavages. Enfin, un modèle est utilisé afin de proposer des conditions de fonctionnement et des stratégies de contrôle permettant de réduire les émissions de N2O dans les biofiltres nitrifiants. Lorsque l’aération était optimisée, les contrôles basés uniquement sur l’aération n’ont pas été efficaces pour réduire les émissions de N2O. Des méthodes de contrôle efficaces ont été présentés intégrant une recirculation d’une partie du flux sortant du biofiltre

The proposed research work concerns the optimisation of the biofiltration process in wastewater treatment. Biofiltration is a wastewater treatment process using a filter bed that separates suspended solids and perform biological oxidation (carbon, nitrogen) in the same structure. Three phases are involved in the process: a support for microbial growth and filtration, water and the pollutants to be treated in which the solid is immersed, and a gas phase resulting from the injection of air or produced by microbial activity. The subject brings together several dysfunctions and problems currently encountered in the operation of this type of process. During treatment, there is a progressive decrease in the porosity of the filter bed (resulting from the retention of suspended Solids and the development of biofilm), an increase in the pressure drop. This also results in a reduction in oxygen diffusion within the biofilm, and potentially an increase in nitrous oxide emissions (a powerful greenhouse gas). The parameters that cause irreversible clogging were identified and indicators of the irreversible clogging occurrence were proposed, as well as curative measures when clogging is reached. A better understanding of the mechanisms taking place during the washings allowed to link the clogging during the treatment to the filter bed state during the different washings sequences. Finally, a model is used to propose operating conditions and control strategies to reduce N2O emissions in nitrifying biofilters. When aeration was optimised, controls based on aeration alone were not effective in reducing N2O emissions. Effective control methods were presented that incorporated recirculation of the biofilter outflow part.