Performances, modélisation et limites d'un procédé à lit fluidisé associant culture libre et fixée (IFAS) pour le traitement du carbone et de l'azote des eaux résiduaires

Performance, modeling and boundaries of a fluidized bed process combining free and fixed biomass (IFAS) for carbon and nitrogen removal of wastewater

• Auteur / Autrice : Paul Moretti
• Direction : Jean-Marc Choubert, Pierre Buffière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 09/11/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux Aquatiques, Écologie et Pollutions
• Jury : Président / Présidente : Agnès Richaume-Jolion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Doris Brockmann, Paul Lessard, Jean-Pierre Canler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Paul, Eduardo Ayesa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Teneur en azote

Eaux usées

Biofilms

Eau -- Épuration -- Dénitrification

Mots clés libres

Biofilm

Procédé hybride

IFAS

Nitrification

Étude de sensibilité

Modélisation dynamique

Protocole de calage

Biofilm

Hybrid process

IFAS

Nitrification

Sensitivity analysis

Biofilm modelling

Calibration protocol

Résumé

Motivées par des normes de rejets en azote toujours plus sévères et par les besoins d'extension de certaines stations d'épuration, les agglomérations sont à la recherche de nouvelles technologies de traitement plus compactes et plus performantes. Dans ce sens, le procédé hybride, à lit fluidisé placé dans un réacteur de type boues activées (IFAS), est une nouvelle technologie de traitement du carbone et de l'azote très attractive. L'objectif de cette thèse est d'optimiser le dimensionnement du procédé IFAS en configuration trois bassins (anoxie/aérobie BA/aérobie IFAS) et d'apporter des recommandations sur la conduite du procédé (charge massique appliquée, température.). Pour cela, une double démarche expérimentale et numérique a été mise en place. Un pilote de 3 m3 alimenté en eau usée brute a été conçu, instrumenté et étudié pendant 2 ans au cours de 7 périodes stabilisées (entre 0,15 et 0,30 kgDBO5/kgMVSLM/j, température entre 10 et 22°C, et le séquençage de l'aération dans les bassins). La concentration en MES dans la liqueur mixte a été maintenue à 2,3 gMES/L et la concentration en oxygène entre 2 à 6 mgO2/L. Les capacités de nitrification du biofilm et de la liqueur mixte (NPRmax) ont été mesurées tous les 15 jours. Les performances d'élimination de l'azote (nitrification et dénitrification) et du carbone observées sont restées supérieur à 90% d'élimination pour une charge massique maximale de 0,30 kgDBO5/kgMVSLM/j entre 16 à 24°C. Le biofilm dispose d'une capacité de nitrification maximale de 0,90 gN/m2/j et tributaire des concentrations en oxygène dans la liqueur mixte (contraintes diffusionnelle). Le biofilm contribue en moyenne à hauteur de 60% du flux total nitrifié dans le réacteur IFAS pour des âges de boues < 5 jours à 16°C. La diminution du MLSRT en dessous de 4 jours a permis de limiter le développement des bactéries autotrophes dans la liqueur mixte (minimum 10% du flux total nitrifié par la liqueur mixte) mais pas de les supprimer totalement (apport de nitrifiante par détachement de biofilm)

Motivated by the increasingly demanding discharge consents and by the need to improve overall treatment capacity, water authorities are uninterruptedly examining better performing and more compact wastewater treatment technologies. Thanks to its compactness and to its capacity to treat both organic matter and nitrogen at an affordable cost, the IFAS process represents an attractive addition to improve retrofitting-activated sludge plants performance. The main objective of this thesis is to optimize IFAS process with regards to key operation parameters such as dimensioning, F/M ratio by combining experimental and mathematical modelling approaches. A 3 m3 pilot IFAS fed with raw wastewater was operated at the experimental hall of La Feyssine wastewater treatment plant, Villeurbanne, for a period of 2 years. The IFAS process was separated in 3 tanks to treat organic matter and total nitrogen separately (anoxic/aerobic, suspended/aerobic IFAS). The experimental study was divided in 7 periods with different steady state operation conditions each. The feasibility of nitrification at steady F/M ratios (between 0,1S to 0,30 kgBODS/kgMLVSS/d), at constant temperatures (between 10 - 22°C) and at different oxygen supply rates was investigated. TSS in mixed liquor were maintained at 2,3 gMLTSS/L and oxygen concentration between 2 to 6 mgO2/L. Biofilm mass and combined nitrification capacity of biofilm and mixed liquor (NPRmax) were measured on a weekly basis. The removal performance was up to 90% for nitrogen and carbon treatment with a maximal F/M ratio of 0,30 kgBODS/kgMLVSS/d between 16°C to 24 °C. The biofilm was able to nitrify 0,90 gN/m2/d (NPRmax) depending on the oxygen concentration in the mixed liquor (diffusional limitation). Under the operating conditions tested in this study, biofilm was responsible for 40 to 70% of NOx-N production in IFAS reactor during nitrification. Decreasing the MLSRT to less than 4 days limits the growth of autotrophic bacteria in the mixed liquor but does not halt it completely