Design optimization of CSO CWS Key processes and development of a modelling toolkit

par Tamás Gábor Ṕálfy

Thèse de doctorat en Chimie - Envrionnement

Sous la direction de Rémy Gourdon.

Soutenue le 20-12-2016

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d' Ingénierie Environnementale, EA 4126 (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale / LGCIE (laboratoire) .

Le président du jury était Sylvie Gillot.

Le jury était composé de Rémy Gourdon, Sylvie Gillot, Gunter Langergraber, Diederik Rousseau, Ulrich Dittmer, Pascal Molle, Jaime Nivala, Stéphane Troesch.

Les rapporteurs étaient Gunter Langergraber, Diederik Rousseau.

  • Titre traduit

    Optimisation du dimensionnement des filtres plantes pour le traitement des surverses de déversoir d’orage - Mécanismes clefs et développement d’un outils d’aide au dimensionnement


  • Résumé

    En France les filtres plantés à écoulement vertical sont utilisés pour le traitement des surverses de déversoir d’orage (CSO en anglais). Ils sont efficaces pour le traitement des polluants ainsi que pour assurer un rôle de tampon hydraulique permettant de protéger les milieux hydriques superficiels. Ils ont la particularité de recevoir des effluents bruts dont la fréquence, l’intensité, la durée et les concentrations sont stochastiques. En conséquence de quoi l’optimisation du dimensionnement est particulièrement délicate. Dans ce travail, le dimensionnement est abordé suivant deux approches. D’une part en définissant les processus clefs pour une optimisation du dimensionnement et, d’autre part, en construisant un modèle dynamique simplifié (Orage)permettant de prendre en compte, sur le long terme, le caractère stochastique des évènements et les contraintes locales. Le cœur du modèle a été calibré et validé sur une large gamme d’évènements mesurées sur un site en taille réelle (site de Marcy l’Etoile). La qualité de la calibration a été validé aussi bien visuellement que statistiquement et la robustesse du modèle étudiée par une analyse de sensibilité (méthode de Morris). L’optimisation automatique du dimensionnement a nécessité la réalisation d’une boucle itérative également paramétrée et testée dans le cadre du site de Marcy l’Etoile et pour des cas théoriques. Les dimensionnements proposés ont été estimés réalistes. La définition des processus clefs du système de traitement, et le développement du modèle simplifié, a également été possible grâce à la simulation d’expérimentations sur colonnes par un modèle mécaniste (HYDRUS / CW2D). La paramétrisation des processus du modèle simplifié a été réalisée sur la base d’expérimentations détaillées sur le site de Marcy l’Etoile. Le site a été suivi pendant trois ans aussi bien par des prélèvements automatiques, des traçages, que des mesures en lignes (hydraulique, azote, teneur en eau). Parmi les processus calibrés, nous retiendrons i) l’importance du niveau de saturation de la base du filtre au début d’un évènement vis-à-vis des court circuits hydrauliques, ii) la définition des capacités d’adsorption de l’azote ammoniacale de différents matériaux (pouzzolane, mélange de sable et de zéolite) et iii), la définition des cinétiques de nitrification suivant la température et quantité d’azote ammoniacal adsorbé. Si les performances de l’ouvrage sont hautes pour les paramètres majeurs (MES, DCO, N-NH4), l’impact du dimensionnement, de la gestion et des facteurs environnementaux sur les performances et l’accumulation de boue a été étudié. De plus, quelques suivis ont été réalisés sur les métaux et les HAP. Ces mesures ont permis non seulement de calibrer le logiciel Orage mais aussi de proposer des modifications pour l’amélioration du dimensionnement.


  • Résumé

    Constructed wetlands for combined sewer overflow treatment (CSO CWs) are vertical flow filters in France. They effectively remove pollutants and mitigate hydraulic peaks, which protects natural waters. They receive unsettled flows with stochastic return periods, volumes and concentrations, making design optimization difficult. In the presented work, design is targeted from two sides. First, the scientific basis is laid down for the design-support software Orage. The tool is model-based and as such, it considers the stochasticity of CSOs site-specifically. Its core model has been calibrated and then verified by a range of tests. Simulations fit to measured data from a full-scale CSO site (Marcy l’Etoile). The goodness of fit is evaluated visually and statistically. Model robustness has been confirmed by a sensitivity analysis (Morris method). After this, the iterative shell has been parameterized and tested (the software element doing automatic optimization). The design proposals of the tool have been found realistic. The other approach to target optimization has been a detailed field research at Marcy l’Etoile. The site at Marcy l’Etoile has been monitored for three years, using automatic samplers and online probes. The filling of the porous media at event start proves and explains shortcutting behaviour. Adsorption capacities have been quantified for pozzolana and a sand and zeolite mixture. A temperature-dependent equation is calibrated to calculate nitrification rate. System efficiency is high for target pollutants (TSS, COD, NH4-N). Design, operational and environmental factors have been analysed to seek potential effects on removal performances and sludge accumulation. Additionally, PAHs and metals are indicated for a few selected events. The field results were essential to calibrate Orage and to see options for design improvements. The understanding of CSO CWs and the development of Orage was promoted also by simulating lab-scale columns using the process-based model package HYDRUS / CW2D.


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