Etude des performances et optimisation d'un réacteur cascade à biomasse hybride pour le traitement des eaux usées urbaines

par Mostafa Tizghadam Ghazani

Thèse de doctorat en Chimie et microbiologie de l'eau

Sous la direction de Christophe Dagot et de Michel Baudu.

Soutenue en 2007

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Afin de résoudre les problèmes liés à la surcharge organique de certaines stations et d’améliorer plus généralement les performances épuratoires vis-à-vis de la pollution azotée et phosphorée, la transformation des stations de traitement à boues activées peut être envisagée avec l’adjonction dans le bassin d’un support de microorganismes. On couple alors à une culture libre d'un réacteur un système à culture fixée ; le procédé est dit « hybride ». Un Réacteur Cascade à Biomasse Hybride (RCBH) est un nouveau réacteur multi-étagé au sein duquel l’effluent circule alternativement de manière ascendante et descendante et dans lequel sont immergés des matériaux supports de développement d’un biofilm bactérien. Ce type de réacteur hybride, doit permettre l’amélioration du traitement du carbone organique, le couplage au sein du même bassin des réactions de nitrification et de dénitrification biologique, avec une amélioration de la décantabilité des boues (minimisation du « bulking »filamenteux grâce au type d’écoulement choisi dans le réacteur). Les objectifs de ce travail ont été d’étudier les performances du RCBH afin d'évaluer les possibilités de réduction des dimensions des installations de type boues activées tout en permettant un traitement du carbone et de l’azote. Quatre réacteurs aérés de même volume utile, alimentés soit par un effluent synthétique soit par un effluent réel, ont été comparés en terme de performances : un réacteur parfaitement agité en culture libre (RPA), un réacteur cascade en culture libre (RC), un réacteur hybride dans un bassin parfaitement agité (RPABH) et un réacteur cascade avec support bactérien (RCBH). (Pour ce dernier réacteur, le fonctionnement avec des conditions aérobie-anoxie a également été étudié). L’hydrodynamique des réacteurs a été caractérisée afin d'en évaluer la contribution sur l’élimination des pollutions carbonées et azotées, et sur la décantabilité de la boue. Dans un second temps, les conditions de fonctionnement des réacteurs ont été modifiées afin d’apprécier leur importance sur les mécanismes d’élimination du carbone et de l’azote : charge massique, charge volumique en azote, temps de séjour hydraulique, âges des boues. Enfin, les paramètres régissant les performances de l’élimination du carbone, les réactions de nitrification et de dénitrification ont été étudiés pour des conditions expérimentales contrôlées et maintenues pendant de longues périodes de fonctionnement. Dans ces conditions, lors d’une alimentation avec un effluent urbain, les rendements de l’élimination de la DCO totale dans les réacteurs RPA, RPABH, RC et RCBH sont respectivement de 89, 92, 91 et 93% et dans le même ordre, les rendements de l’élimination de l’azote ammoniacal sont respectivement de 20, 29, 88 et 89%. Les modifications de l’hydrodynamique et la mise en œuvre de la biomasse dans le bassin d’aération aboutissent à l’amélioration des performances épuratoires de l’installation. La configuration d'un RCBH séquencé aérobie-anoxie avec deux compartiments d’anoxies en tête est optimisée pour obtenir une concentration en DBO5 inférieure à 30 mgO2. L-1 et une concentration en azote total inférieure à 10 mgN. L-1 dans le rejet. La configuration compartimentée du bassin d’aération facilite la mise en place des zones aérobies- anoxies dans le réacteur et permet l'élimination de 90% de la pollution azotée (azote kjeldahl). Cette valeur est de 38% pour un système classique dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, la configuration du réacteur cascade permet de mettre en place la nitrification-dénitrification dans un même réacteur.

  • Titre traduit

    Performance investigation and optimisation of a cascaded reacteur with hybrid biomass for domestique wastewater treatment


  • Résumé

    In order to solve the problems involved in the organic overload of certain wastewater treatment plants and more generally to improve their performances with respect to nutrients removal, the transformation of the activated sludge treatment plants can be achived with the addition of a biofilm support in the aeration basin. We coupled a suspended growth system with an attached growth system into the same reactor; the process is known as “hybrid”. The cascaded reactor with hybrid biomass (RCBH) is a novel multistage reactor design using a series of baffles designed to force the wastewater to flow alternatively under and over the baffles, in which the supports for development of a biofilm immersed. This type of hybrid reactor, allows the improvement of the treatment of organic carbon, the coupling of the biological nitrification and denitrification within the same basin, with the improvement of the sludge settleability (minimization of the filamentous “bulking” related to the type of flow in use in the reactor). The aims of this work were to study the performances of the RCBH in order to evaluate the possibilities of dimension reductions of the activated sludge plant installations while allowing the carbon and nitrogen treatment. Four aerated reactors with the same effective volume alimented either by a synthetic effluent or by a domestic wastewater, were compared in term of the performances: a suspended growth completely mixed reactor (RPA), a suspended growth cascaded reactor (RC), a hybrid growth completely mixed reactor (RPABH) and a hybrid growth cascaded reactor (RCBH). (For the latter reactor, operation with aerobic- anoxic conditions was also studied). The hydrodynamics of reactors were characterized in order to evaluate its contribution in the elimination of carbonaceous and nitrogenous pollutions, and the sludge settleability. In the second time, the operating conditions of the reactors were modified in order to appreciate their influence on the mechanisms of elimination of carbon and nitrogen: mass loading, nitrogen loading, hydraulic retention time, sludge age. Lastly, the parameters influencing the performances of the carbon elimination, the nitrification and denitrification were studied for the control and maintenance of the experimental conditions. Where the systems was feded with the domestic wastewater, the COD efficiencies in RPA, RPABH, RC and RCBH are 89, 92, 91 and 93% respectively and in the same order, the ammonia nitrogen efficiencies 20, 29, 88 and 89% are respectively. The hydrodynamics modifications and the biomass implementation in the aeration basin leaded to the improvement the efficiency of the installation. The configuration of a RCBH sequenced aerobic-anoxic with two anoxic compartments at the head of the reactor, was optimized to obtain a concentration in DBO5 lower than 30 mg O2. L-1 and a total nitrogen concentration below 10 mgN. L-1 in effluent. The compartmentalized (cascade) configuration of the aeration basin facilitated the installation of the aerobic-anoxic zones into the reactor and allowed the elimination of 90% of kjeldahl nitrogen. This value was 38% for a traditional system under the same experimental conditions. Moreover, the configuration of the cascaded reactor made it possible to set up nitrification-denitrification in the same reactor.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (180 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 165-179

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