Elimination des micropolluants par les boues activées : proposition d’un nouveau modèle cinétique et focalisation toute particulière sur la configuration hydrodynamique des réacteurs et sur l’agitation /mélange locale

Removal of micropollutants with activated sludge : proposition of a new kinetic model and special focus on hydrodynamic reactor configuration and local mixing

• Auteur / Autrice : Rana Hatoum
• Direction : Olivier Potier, Joumana Toufaily
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Joachim Hansen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Potier, Joumana Toufaily, Ingmar Nopens, Harald Horn, Stéphanie Ognier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joachim Hansen, Ingmar Nopens
• DOI : 10.70675/9736c9f9zd2cbz4eeczae9ez9d7011fe774a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micropolluants

Eaux usées -- Épuration -- Procédé des boues activées

Eaux usées -- Épuration -- Réacteurs biologiques séquentiels

Hydrodynamique

Méthodes de simulation

Équations cinétiques

Mots clés libres

Micropolluants

Traitement des eaux usées

Boues activées

Nouveau modèle cinétique

Hydrodynamique

Simulation

Configuration du réacteur

Agitation locale

Micropollutants

Wastewater treatment

Kinetics

Activated sludge

New kinetic model

Hydrodynamic

Simulation

Reactor configuration

Local mixing

Résumé

L'un des défis auxquels la conservation de l'environnement est actuellement confrontée est la réduction des rejets de micropolluants par les effluents des stations d’épuration des eaux usées. Les procédés biologiques sont les traitements les plus couramment utilisés, mais ces techniques classiques n’ont pas été conçues dans le but d’éliminer les micropolluants (MPs). Dans ce travail, l’amélioration de l’élimination de sept composés de micropolluants (des produits pharmaceutiques et un produit chimique industriel) qui couvrent divers degrés de biodégradabilité est étudiée à l’aide du procédé de traitement par boues activées. Pour atteindre cet objectif, une méthodologie expérimentale suivie d'une stratégie de simulation a été développée. L'étude systématique de l'impact des paramètres opérationnels des stations d'épuration sur les MPs, tels que l’âge des boues (SRT), le temps de passage (HRT) et la concentration de biomasse (CTSS), sur les MPs a été quantifiée expérimentalement dans neuf installations de réacteur discontinu (SBR). L’augmentation de SRT a amélioré l’élimination des MPs, à l’exception de deux antibiotiques macrolides. L'application d'un HRT plus élevé a quant à elle conduit aussi à une amélioration. De manière plus intéressante, nos résultats ont indiqué que, contrairement à ce qui est postulé, le taux d’élimination des micropolluants n’est pas proportionnel à la concentration en biomasse, en particulier pour celles élevées. Comparé aux taux d’élimination à 3 et 5 g L-1 de biomasse, une augmentation supplémentaire à 8 gTSS L-1 n'a produit qu'un effet modéré inattendu. Une nouvelle cinétique de la loi de puissance a été étudiée afin de couvrir toute la gamme des conditions de concentration de biomasse dans les systèmes à boues activées. Elle prend en compte la limitation du transport des micropolluants vers la biomasse quand sa concentration est élevée. Dans ce cas, il a été aussi montré que le transport des micropolluants repose sur la diffusion moléculaire. Ce processus a été ajouté à l’équation cinétique proposée. Un programme de simulation de station d’épuration (SBR et continu) a été développé. Les résultats numériques utilisant la nouvelle cinétique correspondent bien aux résultats expérimentaux. Les simulations montrent que d’une part, l’amélioration de l’agitation locale du mélange favorise grandement l’élimination, d’autre part, l’étagement du réacteur en lui conférant une hydrodynamique proche d’une très grande cascade de réacteurs contribue aussi à améliorer fortement l’élimination des MPs. Ceci peut être obtenu en construisant des réacteurs en chicanes d’une largeur de 2 m et d’une longueur déployée de plus de 200 m. Finalement, l’association de ces deux processus locale et globale permet de considérablement augmenter l’élimination des MPs moyennement et lentement biodégradables.

One of the main challenges currently facing environmental conservation is to reduce the discharge of micropollutants (MPs) from wastewater treatment plants outflows (WWTPs). Biological aerobic processes are the most commonly used treatment, but conventional systems were not conceived with the objective of eliminating micropollutants (MPs). In this work, the removal enhancement of seven micropollutants compounds (pharmaceuticals and industrial chemical) which cover various degree of biodegradability was studied using activated sludge process. To achieve this goal, an experimental methodology followed by a simulation strategy were developed. The systematic study of the impact of WWTPs operational parameters, such as sludge retention time (SRT), hydraulic retention time (HRT) and biomass concentration (CTSS), on the MPs removal was experimentally quantified in nine Sequencing Batch Reactor (SBR) setups. The enhancement of the SRT increased the removal of all the MPs except for two macrolides antibiotics. Application of a higher HRT did also improve MPs removal as could be expected from the measured removal rate constants. More interestingly, our results indicated that, contrary to what is postulated, the removal rate of micropollutants is not proportional to biomass concentration, especially for high ones. Compared to removal rates at 3 to 5 gTSS L- 1 of biomass, an additional increase at 8 gTSS L-1 produced only an unexpected moderate effect. New kinetics of the power law have been studied to cover the full range of biomass concentration conditions in activated sludge systems. It takes into account the limitation of the transport of micropollutants to biomass when its concentration is high. In this case, it has also been shown that the transport of micropollutants is based on molecular diffusion. This process has been added to the proposed kinetic equation. A simulation program of a wastewater treatment plant (SBR and continuous) has been developed. The numerical results using the new kinetics corresponded well to the experimental results. The simulations showed that, on the one hand, the improvement of the local mixing of the mixture greatly favors the elimination, on the other hand, the tiering of the reactor configuration by giving it a hydrodynamic close to a very large cascade of reactors also contributes to greatly improve the elimination of MPs. This can be achieved by building baffle reactors with a width of 2 m and an extended length of more than 200 m. Finally, the combination of these two local and global processes makes it possible to considerably increase the elimination of moderately and slowly biodegradable MPs.