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RÉSUMÉ
Les procédés biologiques à biomasse en suspension, du type des boues activées, sont appliqués pour le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles. Généralement, ces procédés sont dimensionnés sur la base d’équations de bilans « matières » établis à partir de l’hypothèse d’un régime permanent. Pourtant ces systèmes subissent continuellement des perturbations : variations importantes de charge en polluant, discontinuité de certaines opérations. L’analyse dynamique des procédés biologiques d’épuration est donc incontournable pour appréhender le fonctionnement réel des unités et pour optimiser les paramètres de dimensionnement.
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Mathieu SPÉRANDIO : Maître de conférence - Institut national des Sciences appliquées de Toulouse (INSA)
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Marc HERAN : Maître de conférence - École polytechnique universitaire de Montpellier
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Sylvie GILLOT : Ingénieur de recherche, Docteur - CEMAGREF
INTRODUCTION
Les procédés biologiques à biomasse en suspension, du type des boues activées, sont largement appliqués pour le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles.
Généralement, ces procédés sont dimensionnés sur la base d’équations de bilans « matières » établis à partir de l’hypothèse d’un régime permanent.
Pourtant ces systèmes subissent continuellement des perturbations. En particulier, ils sont soumis à des variations importantes de charge en polluant (débit et concentration) à différentes échelles temporelles : journalières, hebdomadaires, annuelles, traduisant les fluctuations de l’activité humaine.
De plus, ces procédés d’épuration sont gérés par des opérations parfois discontinues (aération séquencée, purge de boues, alimentation par bâchée, etc….). Par conséquent, même si des régimes pseudo-stationnaires peuvent être atteints, l’analyse dynamique des procédés biologiques d’épuration est incontournable pour appréhender le fonctionnement réel des unités et pour optimiser les paramètres de dimensionnement : volume et agencement des bassins, gestion de l’aération, extraction des boues, rôle tampon du clarificateur.
Ceci est d’autant plus important que les configurations et les géométries des bassins biologiques se sont profondément diversifiées et complexifiées afin d’intégrer l’élimination des nutriments.
L’objectif de cet article est d’une part de présenter les bases scientifiques de ces outils et, d’autre part, de proposer des méthodologies d’utilisation pour l’ingénieur.
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1. État des lieux
Les outils de simulation dynamique ont connu un accroissement important depuis les années 90. Les progrès simultanés des connaissances scientifiques et des outils informatiques ont permis le développement de produits commerciaux (plateformes et logiciels de résolution numérique) pour les bureaux d’étude, les services techniques, les chercheurs ou les exploitants.
Les modèles dynamiques ont été crées pour prédire l’évolution des besoins en oxygène (gestion de l’aération), des matières en suspension et des productions de boues (gestion de l’extraction) et des caractéristiques de l’eau traitée (DCO, DBO, MES, MVS, azote, phosphore).
L’utilisation de ces outils nécessite une caractérisation spécifique des eaux usées ainsi qu’une bonne connaissance des processus biologiques d’épuration. Ces informations, ainsi que les variables physiques, hydrodynamiques et opératoires de la station d’épuration sont indispensables pour paramétrer les modèles et obtenir un outil précis de prédiction.
1.1 Domaines d’application
Cet article présente les bases de la modélisation dynamique du procédé à boues activées permettant de simuler : le traitement du carbone et de l’azote, dans des bassins aérobies (présence d’oxygène) ou anoxiques (absence d’oxygène mais présence de nitrate), ainsi que la séparation liquide/solide réalisée dans les clarificateurs.
Ces modèles permettent de décrire des procédés à forte, moyenne ou faible charge (âge de boues de 1 à 30 jours). L’extrapolation pour des systèmes à très forte, ou très faible charge, peut nécessiter des adaptations.
Les logiciels commerciaux permettent également de modéliser l’ensemble de la filière d’épuration, en incluant les traitements physico-chimiques, les traitements primaires (décanteurs), les traitements tertiaires (filtres à sable) et le traitement des boues (épaississeur, digesteur, déshydratation, …).
HAUT DE PAGE1.2 Approches, grandeurs et unités
Les matières organiques, dans les eaux résiduaires et dans les boues biologiques, sont constituées d’une multitude de composés solubles ou insolubles.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GAUDY (A.F.) - DCO Gets Nod Over BOD test - , Ind. Wat. Eng., pp. 30-34, 1972.
-
(2) - HENZE (M.), GRADY (C.P.L.), GUJER (W.), MARAIS (G.V.R.), MATSUO (T.) - Activated Sludge Model No. 1, Scientific and Technical Report No. 1 - , IAWPRC, London, U.K., 1987.
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(3) - GUJER (W.), HENZE (M.), MINO (T.), MATSUO (T.), WENTZEL (M.C.), MARAIS (G.V.R.) - The Activated Sludge Model No. 2 : Biological phosphorus Removal - , Wat. Sci. Tech., Vol. 31, No. 2, 1995.
-
(4) - GUJER (W.), HENZE (M.), MINO (T.), MATSUO (T.), VAN LOOSDRECHT (M.C.M.) - Activated Sludge Model No. 3 - , Wat. Sci. Tech. Vol. 39, No. 1, pp. 183-193, 1998.
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(5) - ROUSTAN (M.) - Transferts gaz-liquide dans les procédés de traitement des eaux et des effluents gazeux - , Tec et Doc, 2003.
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(6) - HÉDUIT (A.), CAPELA (S.), GILLOT (S.), ROUSTAN (M.) - Aération...
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
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YARendement de conversion autotrophe
YHRendement de conversion hétérotrophe
fpFraction inerte de la biomasse
iXBTeneur en azote de la biomasse
ixpTeneur en azote des produits de lyse
µmHTaux de croissance maximum hétérotrophe(T−1)
KsConstante de demi-saturation pour le substrat(M · L−3)
KO,HConstante de demi-saturation pour l’oxygène(M · L−3)
ηgFacteur de réduction anoxique de la croissance
ηhFacteur de réduction anoxique de l’hydrolyse
khTaux...
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