Usages de la spectrométrie de fluorescence in situ et à haute fréquence pour le suivi de la matière organique dans la file eau et la file boue des STEU : mise en œuvre d'un outil d'aide à la gestion des procédés

Applications of in situ and high-frequency fluorescence spectroscopy for monitoring organic matter in wastewater and sludge streams of sewage treatment plants: Implementation of a process management support tool

• Auteur / Autrice : Armand Poirier
• Direction : Gilles Varrault
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEESU - Laboratoire Eau Environnement et Systèmes Urbain
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe SIE

Mots clés

Mots clés libres

Spectrométrie de fluorescence

Matière organique

Haute fréquence

Fluorescence spectroscopy

Organic matter

High-frequency

Résumé

Les variations de qualité et quantité de Matière Organique (MO) influencent l'efficacité des procédés du traitement biologique des eaux usées. En Station de Traitement des Eaux Usées (STEU), l'efficacité de traitement est quantifiée via le suivi de la matière organique et de son caractère biodégradable. La MO est caractérisée par des mesures de Demande Biochimique en Oxygène (DBO5) et de Demande Chimique en Oxygène (DCO). Néanmoins, la mesure normée de ces paramètres est chronophage, présente d'importants coûts de mise en œuvre et n'est pas directement applicable in situ pour suivre en temps réel ces indicateurs. Des travaux menés au LEESU ont démontrés le potentiel d'application de la spectroscopie de fluorescence via l'usage d'une combinaison de plusieurs fluorophores pour se substituer aux mesures de ces paramètres. D'autres déploiements de cette technologie innovante de suivi de la matière organique sont prévus dans les filières de traitement des eaux usées et des boues. En effet, la gestion des procédés de valorisation des boues de STEU représente un enjeu clef pour la production d'énergie renouvelable. Cependant, la mesure du potentiel méthanogène des boues de Station de Traitement des Eaux Usées nécessité 30 jours de suivi analytique. Des travaux récents du LEESU ont permis de démontrer l'intérêt de la spectroscopie de fluorescence pour prédire le potentiel méthanogène des boues épaissies en analysant directement les centrats en sortie de l'étape de centrifugation. Dans la continuité de ces travaux, le premier volet de cette thèse aura pour objet le déploiement de sondes FLUOCOPEE basées sur la spectroscopie de fluorescence pour le suivi et l'optimisation des procédés épuratoires de la filière des eaux usées. Des modèles de prédiction de la DCO et la DBO5 obtenus par mesures de fluorescence seront développés, et l'étude des chroniques de suivi de ces paramètres en temps réel permettra de définir des seuils d'alerte pour l'aide à la gestion des procédés épuratoires. Le deuxième volet de cette thèse aura pour objectif de relier les propriétés de fluorescence de la matière organique urbaine à un ensemble des données structurelles spécifiques et descripteurs afin de mieux comprendre le devenir et l'influence de la matière organique fluorescente le long de la filière épuratoire. Un focus sur les caractéristiques des différentes classes de tailles de la MO dissoute sera réalisé, et des tests d'incubations par respirométrie seront mis en œuvre pour obtenir le potentiel biodégradable de ces fractions. Enfin, dans le troisième volet de cette thèse, les modèles prédictifs des paramètres physico-chimiques des boues seront finalisés pour caractériser les boues via leurs centrats. En outre, la possibilité d'estimer, grâce à des mesures de fluorescence, les propriétés rhéologiques des boues ainsi que leur déshydrabilité sera investiguée. Ces travaux de recherche seront menés en étroite collaboration avec la direction de l'innovation du SIAAP dans le cadre du programme de recherche MOCOPEE.

The variations in the quality and quantity of Organic Matter (OM) influence the efficiency of biological wastewater treatment processes. In Wastewater Treatment Plants (WWTPs), treatment efficiency is quantified through the monitoring of organic matter and its biodegradable nature. Organic matter is characterized by measurements of Biochemical Oxygen Demand (BOD5) and Chemical Oxygen Demand (COD). However, the standardized measurement of these parameters is time-consuming, comes with significant implementation costs, and is not directly applicable in situ for real-time monitoring of these indicators. Research conducted at LEESU has demonstrated the potential application of fluorescence spectroscopy using a combination of multiple fluorophores to replace measurements of these parameters. Further deployments of this innovative organic matter monitoring technology are planned in wastewater and sludge treatment processes. Indeed, managing the processes for valorizing WWTP sludge is a key challenge for renewable energy production. However, measuring the methane potential of WWTP sludge requires 30 days of analytical monitoring. Recent work at LEESU has shown the value of fluorescence spectroscopy in predicting the methane potential of thickened sludge by directly analyzing the centrate output from the centrifugation step. Building on this work, the first part of this thesis aims to deploy FLUOCOPEE probes based on fluorescence spectroscopy for monitoring and optimizing wastewater treatment processes. Predictive models for COD and BOD5 obtained through fluorescence measurements will be developed, and the study of real-time monitoring chronicles for these parameters will help define alert thresholds for process management assistance. The second part of this thesis aims to link the fluorescence properties of urban organic matter to specific structural data and descriptors to better understand the fate and influence of fluorescent organic matter along the treatment process. A focus on the characteristics of different size classes of dissolved OM will be conducted, and respirometry incubation tests will be implemented to obtain the biodegradable potential of these fractions. Finally, in the third part of this thesis, predictive models for physicochemical parameters of sludge will be finalized to characterize sludge through their centrate. Additionally, the possibility of estimating the rheological properties of sludge and their dewaterability through fluorescence measurements will be investigated. These research efforts will be carried out in close collaboration with the Innovation Department of SIAAP as part of the MOCOPEE research program.