Identification des paramètres de bioprocédés environnementaux à partir des mesures accessibles issues de la respiration

par Cyril Lemaire

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de André Pauss et de Stéphane Mottelet.

Soutenue le 29-06-2015

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .


  • Résumé

    Les bioprocédés environnementaux prennent une place de plus en plus importante dans le paysage industriel mondial. La complexité et la diversité des processus impliqués dans les réactions biologiques de dégradation des polluants limitent considérablement la compréhension et l’utilisation de ces procédés. De plus, les mesures disponibles pour le suivi de cette activité sont souvent hors-ligne et/ou indirectes. Dans ce cadre, les outils de modélisation phénoménologique permettent, via le choix d’hypothèses judicieuses, de lier les observations du système aux processus biologiques sous-jacents. Ces méthodes nécessitent néanmoins l’application d’une étude rigoureuse d’identifiabilité afin de pouvoir exploiter correctement les résultats obtenus. Les modèles ainsi développés permettent de capitaliser des connaissances sur la description des processus biologiques grâce aux mesures effectuées sur le système. Cette approche a été développé au travers de deux cas d’étude, correspondant à deux domaines d’application industrielle. La bioremédiation des sols contaminés aux hydrocarbures constitue la méthode la plus écologique de traitement des sols. Néanmoins, le processus de biodégradation peut être long, voire inexistant en fonction des conditions environnementales. Afin de mesurer l’efficacité de la dégradation, la mesure de la respiration en phase gaz apparaît comme étant l’observation la plus facile à mettre en œuvre. Le problème est que la simple mesure de la consommation d’oxygène est généralement insuffisante. Pour répondre à cette limite, un modèle capable d’expliquer les évolutions du quotient respiratoire apparent grâce aux différentes étapes de la biodégradation a été développé. Cette mesure pourrait alors donner une indication sur l’efficacité de la biodégradation. La seconde partie de ce travail, plus conséquente, s’intéresse à l’épuration des eaux usées par boues activées, elle reprend et amplifie l’approche méthodologique développée pour la biomédiation des sols. L’efficacité de ce traitement des eaux est grandement liée à la production de boues en excès, exprimée par le rendement hétérotrophe. Ce paramètre difficile à maitriser constitue une information primordiale pour la modélisation et la conduite des stations d’épurations. Il apparaît néanmoins que sa définition usuelle ne suffit pas à expliquer ses variations observées. Dans ce cadre, différents modèles phénoménologiques issus des travaux du groupe de travail ASM (Activated Sludge Modeling) ont été étudiés afin de décrire les variations de ce rendement apparent en introduisant les hypothèses réactionnelles liées au stockage du substrat. Une étude expérimentale en laboratoire a permis de confronter ces hypothèses à des mesures de dégradation de substrats purs par des boues activées en respiromètre. L’équilibre entre le stockage du substrat et la croissance bactérienne a ainsi été proposé comme source d’influence majeure sur la valeur du rendement. Ce travail a abouti à une clarification nécessaire de la définition du rendement hétérotrophe.

  • Titre traduit

    Parameters indentification of environmental bioprocesses unsing accessibles measurements from respiration


  • Résumé

    Environmental bioprocesses are gaining importance in the industrial landscape. Nevertheless, the complexity of mechanisms involved in biological reactions stays an issue for their implementation. Moreover, available measurements of biological activity are often off-tine and/or indirect. ln this context, phenomenological modeling tools are a solution to link observations of the system to underlying biological reactions, considering the right hypotheses. These methods require a rigorous sensitivity analysis in order to properly process the results. Thus, the models permit to obtain precise knowledge about biological systems thanks to indirect measurement. This approach was developed throughout two cases of study corresponding to two industrial fields of application. Bioremediation is the most ecological method for hydrocarbons contaminated soils remediation. Nevertheless, biodegradation can be long or absent depending on environmental conditions. In order to measure its efficiency, respiration measurement in the gas phase seems to be the easiest observation to implement. Oxygen measurement can be insufficient on its own, that is why a model able to describe the evolution of the apparent respiratory quotient has been developed considering the different steps of biodegradation. This observation alone could give insights on the efficiency of biodegradation. The second part of this work deals with activated sludge wastewater treatment using the theoretical approach developed for soil bioremediation. The eftïciency ofthe process depends on the excess production of sludge, which is linked to the heterotrophic yield of the reaction. This parameter is a key component for modeling and optimization of wastewater treatment plant. Most of the time, its common definition is not sufficient to explain its observed variations. In this context, several phenomenological models derived from the activated sludge models were studied to explain these variations, taking into account the substrate storage process. An experimental study was conducted in order to confront the reactional hypothesis of the models to actual measurements of single substrate degradations in respirometer. The balance between substrate storage and direct growth was proposed as a main component of the yield value. This study resulted in a necessary clarification of the heterotrophic yield definition.


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