Modélisation de la dynamique de colmatage : approche multi-échelle des composés colmatants et développement de stratégies de commande

modeling fouling dynamics: a multi-scale approach to fouling compounds and control strategy development

• Auteur / Autrice : Aymen Chaaben
• Direction : Marc Heran, Jérôme Harmand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : APAB-Sciences des Procédés des Matériaux, Bioproduits et Aliments
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 27/01/2026
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GPM - Génie des Procédés Membranaires
• Jury : Président / Présidente : Philippe Moulin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Heran, Angel Robles martinez, Marion Alliet, Isabelle Lemaitre, Sihem Tebbani, Jérôme Harmand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Moulin, Angel Robles martinez

Mots clés

Mots clés libres

Réutilisation des eaux usées

Filtration membranaire

Modélisation et contrôle des procédés

Dynamique des composés colmatants

Controle optimal adaptatif

Modélisation multi-échelle

Wastewater reuse

Membrane filtration

Process modeling and control

Dynamic of fouling compounds

Adaptive optimal control

Multi-scale modeling

Résumé

Le projet de thèse vise à évaluer la filtration dynamique de suspensions complexes. Pour ce faire, un modèle générique de colmatage a été développé, applicable à différents systèmes de filtration membranaire. Ce modèle intègre à la fois le fractionnement des familles de composés colmatants et l’étude de lois de commande innovantes pour l’optimisation des performances. Le modèle a d’abord été testé et validé à partir de données issues d’un Bioréacteur Anaérobie à Boues Granulaires (BRMAnG), permettant d’explorer par analogie le comportement d’un système sans aération, comparable au fonctionnement d’un réacteur alimenté en eaux usées brutes (EUBs). Ensuite, la validation du modèle a été étendue à la suspension la plus complexe et la plus difficile à filtrer : les eaux usées brutes réelles. Dans ce cadre, un pilote de microfiltration (MF) et d’ultrafiltration (UF) a été installé à Murviel-lès-Montpellier, alimenté en continu par des eaux usées domestiques. Les campagnes expérimentales, menée à la STEP, a permis de confronter directement le modèle aux conditions réelles de filtration dynamique en milieu urbain. Enfin, une attention particulière a été portée au contrôle optimal adaptatif (AOC), appliqué à la gestion du colmatage dans différentes configurations. Ces études ont démontré la capacité de l’AOC à s’adapter en temps réel aux perturbations de la qualité de l’influent et à réduire la consommation énergétique jusqu’à 30 % par rapport aux modes de commande classiques. Sur le plan scientifique, cette thèse a donné lieu à plusieurs valorisations : deux articles ont déjà été publiés — l’un présenté à la European Control Conference (ECC 2024) et l’autre accepté dans la revue Membranes (mai 2025) — tandis que deux autres papiers sont en cours de soumission. Ces contributions mettent en évidence le développement d’une approche de contrôle innovante et la généricité du modèle, démontrée par sa validation sur une large diversité de configurations expérimentales.

The PhD project aims to evaluate the dynamic filtration of complex suspensions. To this end, a generic fouling model has been developed, applicable to various membrane filtration systems. This model integrates both the fractionation of fouling compound families and the study of innovative control laws to optimize process performance. The model was first tested and validated using data from an Anaerobic Granular Sludge Bioreactor (AGSB), allowing, by analogy, the exploration of the behavior of a system without aeration, comparable to that of a reactor fed with raw wastewater (RWW). Subsequently, the model validation was extended to the most complex and challenging suspension to filter: real raw wastewater. For this purpose, a microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) pilot plant was installed in Murviel-lès-Montpellier, continuously fed with domestic wastewater. The experimental campaigns, conducted at the wastewater treatment plant (WWTP), enabled direct confrontation of the model with real dynamic filtration conditions in an urban environment. Finally, particular attention was given to the Adaptive Optimal Control (AOC) strategy, applied to fouling management in different configurations. These studies demonstrated the ability of AOC to adapt in real time to variations in influent quality and to reduce energy consumption by up to 30% compared with conventional control modes. From a scientific standpoint, this thesis has led to several research outputs: two papers have already been published — one presented at the European Control Conference (ECC 2024) and another accepted in the journal Membranes (May 2025) — while two additional papers are currently under submission. These contributions highlight the development of an innovative control approach and the generic nature of the model, validated across a wide range of experimental configurations.