Modélisation du procédé bioréacteur à membranes immergées : calage et validation du modèle ASM1 sur un site réel : étude des interactions boues activées, conditions opératoires et membrane

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Sous la direction de Martine Mietton-Peuchot
Thèse soutenue le 22 décembre 2008: Bordeaux 1
Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué. L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système « membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires.
-ASM1
-Bioréacteurs à membranes
-Calage
-Colmatage
-Installations réelles
-Modélisation
-Propriétés des boues activées
Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the “membrane/sludge” system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.
-ASM1
-Calibration
-Fouling
-Full-scale
-Membrane bioreactor
-Modelling
-Sludge properties
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13760/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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THESE

présentée à
L'UNIVERSITE BORDEAUX 2

ECOLE DOCTORALE
Sciences de la vie et de la santé


par Florian Delrue

POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPECIALITE : Biologie



MODELISATION DU PROCEDE BIOREACTEUR A MEMBRANES IMMERGEES :
CALAGE ET VALIDATION DU MODELE ASM1 SUR UN SITE REEL ETUDE DES
INTERACTIONS BOUES ACTIVEES, CO NDITIONS OPERATOIRES ET MEMBRANE








Soutenue le 22 décembre 2008 devant le jury composé de :

Directrice de thèse : Madame Martine MIETTON-PEUCHOT Professeur – Université de Bordeaux II
Rapporteurs : Monsieur Alain GRASMICK Professeur – Université Montpellier II
Monsieur Peter VANROLLEGHEM Professeur – Université Laval, Canada
Examinateurs : Madame Claire ALBASI Chargée de Recherche – ENSIACET Toulouse
Madame Corinne CABASSUD Professeur – INSA Toulouse
Monsieur Yvan RACAULT Directeur de Recherche – Cemagref Bordeaux



Remerciements


Ce travail a été effectué au sein de l’unité REBX du CEMAGREF de Bordeaux. Je tiens donc
tout d’abord à remercier M. Daniel Poulain, le chef d’unité, pour son accueil et sa
disponibilité. Ensuite, ma reconnaissance va tout naturellement à mon encadrant, M. Yvan
Racault, Directeur de Recherche au CEMAGREF de Bordeaux, pour son soutien tout au long
de ces trois années.

Cette thèse a été effectuée sous la direction de Mme Martine Mietton-Peuchot, Professeur à la
faculté d’œnologie de l’Université de Bordeaux 2, je la remercie vivement d’avoir accepté de
suivre mon travail. J’exprime toute ma gratitude à Mme Corinne Cabassud, Professeur à
l’INSA de Toulouse, et à M. Mathieu Spérandio, Maître de Conférence à l’INSA de
Toulouse, pour leur aide dans ce travail et leur participation au comité de thèse. Un grand
merci également à Anne-Emmanuelle Stricker pour sa relecture très efficace de ce rapport. Je
tiens aussi à remercier Jean Marc Choubert pour son aide précieuse dans la maîtrise de la
modélisation.
Je remercie grandement, Messieurs Peter Vanrolleghem, Professeur de l’Université Laval au
Québec, et Alain Grasmick, Professeur de l’Université de Montpellier 2, d’avoir accepté
d’être les rapporteurs de ce manuscrit.

Mes remerciements vont également à toute l’équipe épuration du Cemagref de Bordeaux : à
Alain pour son aide et sa sympathie, à Jacky, notre spécialiste des petites bébêtes et à Jean-
Claude, Mister Capteur. Je me dois de tirer également mon chapeau aux filles du laboratoire
(Brigitte et Brigitte, Maryse et Muriel) qui ont toujours analysé mes échantillons dans la joie
et la bonne humeur malgré leur nombre parfois indécent ! Je remercie également les deux
stagiaires que j’ai eu l’honneur d’encadrer : Laura Gonzalez et Céline Perez.
J’exprime ma reconnaissance à toutes les personnes qui ont permis la réalisation de ce travail :
Jean-Daniel Laborde, Christophe Guerrero, Anne-Laure Belloi de la Lyonnaise des Eaux,
Mathieu Gaillard, Thomas Peneau de Degrémont et Yves Coquet et Philippe Corlay de la
Saur.
J’ajouterai également un grand merci à la Région Aquitaine qui a financé partiellement cette
thèse.

Rares sont les occasions où l’on peut remercier tous ses amis, je vais donc en profiter quelque
peu et prendre le temps de citer tout ceux que j’ai côtoyé et sur lesquels j’ai pu compter durant
ces trois années.
Je commence tout d’abord par mes amis au sein du Cemagref, je pense particulièrement à
« Dancing » Maria (pour son soutien, mutuel, pendant la thèse), à Vaitoun’ (pour son aide et
sa sympathie comme collègue de bureau) et aussi à You, Seb, Nico, etc… ainsi que tous les
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stagiaires qui sont passés et qui, chaque année, amènent avec eux un souffle de jeunesse au
Cemagref.
Ensuite, viennent mes amis d’enfance (en souvenir de toutes nos aventures, du super-grill aux
scouts en passant par la version américaine de YMCA) qui ne comprennent pas toujours
forcément ce que je fais mais qui ont toujours essayé : Auré, Irfan, Cédric et Jo.
Je remercie aussi de tout cœur mes amis de prépa qui m’ont initié aux joies des jeudis « Mob
ou riz ? » et avec qui j’ai encore l’occasion de m’entraîner assez régulièrement, je pense
principalement à Matthieu, Fabien, Bertrand et Jeff.
Le passage par une école d’ingénieur a attisé mon goût pour la recherche et m’a aussi permis
de rencontrer des personnes aux divers talents (artistiques ou pas). Parmi celles-ci, je cite
volontiers les amis qui m’ont toujours soutenu (même dans les plus mauvaises postures) :
mon cher coton-tige (ou l’inverse), Bastien, mon coach pour la pratique de l’hélicoptère,
Damien, mon binôme velu mais sexy, Peyo et mon sympathique bûcheron fan des années 80,
Pierre.
Enfin, la dernière catégorie d’amis, la plus récente : mes amis rencontrés par l’intermédiaire
des cours de théâtre. Je les remercie vivement de m’avoir aidé à m’évader sur scène, hors des
frontières de la thèse, je pense notamment à : Alex, Anthony, Caro, Magali, Nadège,
Pascaline, Stéphane et Véro.
Une mention spéciale pour la Miss Sans Plomb grâce à qui l’expression « finir en beauté » me
va à merveille.
Et je me permets aussi de remercier toutes les personnes qui par leurs actes, leurs conseils,
leurs avis ou leurs jugements, bons ou mauvais, ont forgé ma personnalité et m’ont permis
d’être tel que je suis. J’ajouterai juste cette phrase résumant un peu cette pensée : « si on
s’attache trop aux femmes chocolats, la vie devient vite une misère ».

Et pour finir, comme on dit toujours « last but not least », je tiens à remercier toute ma
famille qui m’a toujours soutenu quels que soient mes choix et sur laquelle, je peux compter,
à tout moment, je pense bien sûr à M’man, P’pa, Soeurette et TiBen.

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Résumé




Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du
traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un
traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus
particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue générallement une
source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé
sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la
compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement
biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux
aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations
réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La
méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation
modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau
jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué.

L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités
de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur
installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de
ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système
« membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les
conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse
de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM
étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents
confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires.


Mots-Clefs :
ASM1, Bioréacteurs à membranes, Calage, Colmatage, Installations réelles, Modélisation,
Propriétés des boues activées
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Abstract





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