Contribution à la modélisation et à l'optimisation des bioréacteurs à membranes immergées (BRM) pour le traitement des eaux usées urbaines PDF Download
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Book Description
Le bioréacteur à membranes immergées (BRM) est une technologie performante pour le traitement des eaux usées urbaines. Elle améliore leur épuration et permet de délivrer un effluent exempt de matières en suspension. Toutefois, du fait de la rétention partielle de certains produits microbiens solubles (SMP), il est nécessaire de bien gérer le colmatage et d’optimiser l'utilisation des membranes. Cela nécessite une bonne connaissance et une modélisation fiable des processus microbiens impliqués. Les modèles ASM classiques montrent des écarts importants par rapport au fonctionnement réel des BRM. Le calibrage des paramètres des modèles existants s'avère complexe et délicat. Ce travail présente une synthèse et une analyse critique des principaux développements sur les SMP. Un modèle original basé sur l'ASM1 est alors proposé. Il décrit les processus biologiques associés aux SMP et prend en compte leur rétention partielle par les membranes. Ce nouveau modèle a nécessité la reformulation de certaines variables du ASM1 et l'introduction de nouvelles. Il a été testé et validé sur des données réelles de BRM, données issues de la littérature, couvrant différentes configurations (aérobie avec ou sans anoxie) et échelles (laboratoire, pilote et STEP). Le modèle intègre également les effets de la concentration en MES sur les constantes associées à l'utilisation de l'oxygène et plus généralement, les effets de la température. Enfin, il a été utilisé pour réaliser une étude sur l’optimisation du fonctionnement des BRM. Cette étude met en avant l'importance du choix des consignes en oxygène dissous, en relation avec la température, sur la qualité de traitement ciblée.
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Le bioréacteur à membranes immergées (BRM) est une technologie performante pour le traitement des eaux usées urbaines. Elle améliore leur épuration et permet de délivrer un effluent exempt de matières en suspension. Toutefois, du fait de la rétention partielle de certains produits microbiens solubles (SMP), il est nécessaire de bien gérer le colmatage et d’optimiser l'utilisation des membranes. Cela nécessite une bonne connaissance et une modélisation fiable des processus microbiens impliqués. Les modèles ASM classiques montrent des écarts importants par rapport au fonctionnement réel des BRM. Le calibrage des paramètres des modèles existants s'avère complexe et délicat. Ce travail présente une synthèse et une analyse critique des principaux développements sur les SMP. Un modèle original basé sur l'ASM1 est alors proposé. Il décrit les processus biologiques associés aux SMP et prend en compte leur rétention partielle par les membranes. Ce nouveau modèle a nécessité la reformulation de certaines variables du ASM1 et l'introduction de nouvelles. Il a été testé et validé sur des données réelles de BRM, données issues de la littérature, couvrant différentes configurations (aérobie avec ou sans anoxie) et échelles (laboratoire, pilote et STEP). Le modèle intègre également les effets de la concentration en MES sur les constantes associées à l'utilisation de l'oxygène et plus généralement, les effets de la température. Enfin, il a été utilisé pour réaliser une étude sur l’optimisation du fonctionnement des BRM. Cette étude met en avant l'importance du choix des consignes en oxygène dissous, en relation avec la température, sur la qualité de traitement ciblée.
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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.
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Les bioreacteurs a membranes (BAM) sont de plus en plus utilises dans le domaine du traitement des eaux residuaires urbaines notamment lorsque le terrain est limite ou qu'un traitement epuratoire pousse est requis. Neanmoins, la gestion de ces installations et notamment du colmatage des membranes reste difficile et constitue une source de problemes pour les exploitants. Ce travail s'interesse a la modelisation de ce procede ainsi qu'au phenomene de colmatage. Ainsi, trois installations reelles ont ete etudiees et l'une d'entre elles a ete choisie pour la calibration du modele ASM1, outil efficace et deja eprouve sur les procedes conventionnels. La methodologie a ete adaptee aux specificites des bioreacteurs a membranes et de l'installation modelisee en particulier. Un nouveau jeu de parametres de l'ASM1 a pu etre constitue. D'autre part, concernant la problematique du colmatage des membranes, le systeme "membrane/boues" a ete caracterise a travers l'etude des interactions entre les proprietes des boues, les conditions d'operation et les parametres de la filtration. Les deux BAM etudies ont montre des comportements assez differents confirmant la complexite de ces systemes.
Author: Robert Dufresne Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 269
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Le premier objectif de ce projet était d'élucider la cinétique régissant les bioréacteurs à membranes (BRM) pour le traitement des effluents papetiers. Deux approches furent utilisées soient la revue des modèles classiques et la modélisation multivariable par régression. Les coefficients de régression obtenus démontrent que les modèles cinétiques classiques habituels ne s'appliquent pas pour les BRM. Il est toutefois possible d'approximer leurs performances avec le modèle d'ordre zéro. Par la suite, à l'aide d'un design expérimental de type "D-Optimal", la modélisation de la moyenne des résultats obtenus lors des périodes d'équilibre fut effectuée pour analyser les paramètres d'opération pour déterminer lesquels avaient de l'influence sur les réponses analysées. Les modèles statistiques obtenus furent comparés avec ceux trouvés par régression multiple (incluant tous les résultats obtenus dans cette étude) et ont permis de confirmer les modèles obtenus par design expérimental. Le deuxième objectif était d'étudier le rôle joué par les membranes à l'intérieur des BRM et de modéliser les flux obtenus. Le rôle des membranes fut évalué en comparant les flux et les performances d'enlèvement obtenus avec divers solutés de référence, ainsi qu'avec l'affluent, la liqueur mixte et l'effluent. Pour ce qui est de la modélisation des flux, les modèles de la littérature furent passés en revue alors que l'effet des conditions d'opération sur le flux fut déterminé par régression. Les essais avec les membranes ont permis de déterminer que la taille des molécules causant les pertes de flux se situait autour de 500 000. Ils ont aussi démontré que les solides en suspension formaient une couche limite à la surface des membranes qui diminuait le flux et influençait les performances obtenues. Parmi les modèles de la littérature, celui de Lafforgue-Delorme & al. et Magara et Itoh et celui de Sato et Ishii ont donné de bons résultats. La modélisation des flux a permis de démontrer l'importance de la concentration des solides en suspension de la liqueur mixte (SSLM) et de modéliser l'efficacité des nettoyages. Deux études comparatives ont aussi été menées. Premièrement, une comparaison des performances du BRM avec celles d'un système de boues activées conventionnel (SB AC) a pu démontrer les gains réels obtenus par rapport à l'utilisation du SB AC notamment pour l'enlèvement de la demande chimique en oxygène (DCO), des solides en suspension (SS), des acides gras et résineux (AGR) et de la toxicité. La deuxième étude fut consacrée à la comparaison des performances obtenues avec deux BRM équipés de membranes possédant des seuils de coupure différents. Les résultats obtenus avec les deux seuils de coupure furent similaires confirmant l'importance prédominante de la couche limite à la surface des membranes par rapport au seuil de coupure.
Author: Romuald Van Kaam Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 181
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Le travail présenté dans ce mémoire est focalisé sur la compréhension de l'action des paramètres de filtration (temps de filtration, de non filtration, de rétrolavage, mode et débit d'aération) dans un BAMI pour le traitement d'eaux usées domestiques. La partie expérimentale a été conduite en deux temps. Tout d'abord sur effluent synthétique pour tester différentes conditions opératoires de filtration dans des conditions biologiques maîtrisées puis sur effluent domestique afin de valider les expériences précédentes. Les résultats de ces expérimentations ont mis en évidence que : - Le temps de non filtration pouvait être optimisé à partir de valeurs seuil de la perméabilité de la membrane et de la résistance spécifique de la liqueur mixte. - l'antagonisme dans le rôle de l'aération. D'une part un train de grosses bulles vient classiquement limiter l'apport de matière à la membrane (décolmatage) et d'autre part cette aération induit un cisaillement déstructurant les flocs (colmatage). Une caractérisation hydrodynamique et rhéologique du système a montré le caractère viscoplastique de la boue de BAMI et la pertinence de l'aération syncopé lors de la filtration d'un tel fluide. - L'ensemble des expériences menées sur l'effluent réel a confirmé d'une part les conditions opératoires choisies, d'autre part les caractéristiques de la boue sous contrainte de cisaillement. - L'analyse technico-économique, qui tient compte du " remplacement " des membranes pour lavage montre que l'on a mis en évidence des plages de paramètres opératoires conduisant à un fonctionnement rentable du procédé de traitement d'eau résiduaire urbaine.
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Face à la diminution des ressources en eau douce, il est aujourd'hui indispensable d'optimiser la gestion de l'eau et d'envisager une réutilisation des eaux usées traitées. Les bioréacteurs à membranes (BaM), procédés couplant une réaction biologique et une séparation membranaire, ont la potentialité de fournir une eau de qualité adéquate à une réutilisation, tout en limitant la production de co-produits. Ces systèmes ont la particularité de pouvoir opérer avec des temps de rétention de la biomasse dans le système (ou âge de boues) élevés et ainsi de travailler avec des concentrations en biomasse 2 à 5 fois plus grandes que dans un système biologique conventionnel (i.e. boues activées). Dans ce contexte, ce travail de thèse est une contribution à la connaissance des systèmes BaM fonctionnant avec des âges de boues élevés. Il s'agit de quantifier les performances globales, en terme de réaction biologique et séparation membranaire, obtenues non seulement sous âges de boues élevées mais également lors de perturbations liées à des changements brusques de charge volumique. Un intérêt tout particulier est également porté sur la caractérisation de la biomasse retenue longuement dans le système, et notamment sur l'influence de la teneur en matières en suspension et de la concentration en matières organiques solubles sur les propriétés physiques du milieu (comportement rhéologique et aptitude à la déshydratation)
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Dans les bioréacteurs à membrane immergées (BAM) l'aération entraîne des surcoûts importantes car elle est requise pour la biomasse et le colmatage diminuant l'efficacité de l'aération dans ces systèmes. De plus la substitution de la sédimentation par la filtration par membrane et les conditions de fonctionnement sûrement affectent le comportement biologique de la biomasse. Cette étude ouvre les portes à une toute nouvelle configuration de BAM dans laquelle les fibres sont disposées à l'extérieur du bioréacteur et fonctionnent en filtration frontale. Un étude comparative de différents configurations de modules à été menée en filtration frontale d'une suspension de bentonite à 10 g.L-1. L'injection d'air a été employé comme stratégie pour limiter le colmatage particulaire en filtration frontale comme en filtration semi-frontale. En filtration semi-frontale d'une suspension de bentonite à 1 g.L-1 le flux critique et la PTM critiques ont été évalues pour différentes vitesses superficielles d'air. Par ailleurs, la production de boue et l'activité biologique d'un BAM immergé ont été modélisés avec de modèles développés pour les procédés à boues activées de type ASM inclus dans le logiciel GPS-X®.
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Cette étude s'attache à décrire et analyser les interactions liant les spécificités du milieu biologique d’un bioréacteur à membranes immergées (BAMI) et les phénomènes de colmatage. Le BAMI a été comparé avec un procédé à boues activées, tous deux alimentés avec la même eau résiduaire urbaine. Les performances d'épuration des deux procédés sont comparées dans les mêmes conditions opératoires et à différents âges de boues (10 à 110 jours). L'influence de la séparation membranaire et de l'âge des boues sur les caractéristiques des surnageants (polymères solubles, DCO) et des flocs (diamètre, dimension fractale, exopolymères liés, indice de boue, turbidité) a été soulignée. Les productions de boues des deux systèmes ont également été calculées et confrontées à celles prédites par différents modèles. Par ailleurs, les principaux mécanismes impliqués dans le colmatage à court terme et long terme ont été étudiés. Enfin, le rôle spécifique des protéines et polysaccharides du surnageant des boues dans la structuration du dépôt de filtration a été mis en évidence
Author: Maria Elena Hernandez Rojas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 174
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Les systèmes à membrane dans l'épuration des eaux résiduelles présentent plusieurs avantages par rapport aux processus classiques à boues activées. Par contre un des principaux inconvénients est le colmatage de la membrane. Diverses stratégies sont mises en oeuvre pour combattre le colmatage. Dans ce travail l'objectif est de proposer une conduite optimale du bioréacteur après avoir élucider les relations entre la nature de la boue (composition, état de floculation...), ses conditions d'obtention et le colmatage de la membrane (résistance spécifique). Pour cela, le bioréacteur à membrane immergée a été conduit à différentes conditions opératoires : dans un premier temps, il a été alimenté avec une solution synthétique et pour trois valeurs d'âge de boues, 10, 20 et 30 jours. On a analysé la réponse du réacteur par rapport aux caractéristiques colmatantes de la boue produite : quantification de la résistance spécifique et détermination des mécanismes de colmatage, analyse des conditions physiologiques de production de boue, mise en relation de ces caractéristiques avec les substances polymériques extracellulaires (SPE) liées à la boue et présentes dans le surnageant. Dans une deuxième partie, le pilote a été alimenté par de l'eau résiduaire urbaine, à âge de boue fixé et en modifiant la charge volumique. Les résultats obtenus montrent le rôle important que jouent les composés du surnageant. Dans la plage de conditions opératoires envisagées, aucune relation claire n'a été mise en évidence entre la vitesse de production de boues et la présence de SPE à diverses concentrations .On démontre cependant comment leurs caractéristiques déterminent l'amplitude du colmatage occasionné par la boue dans son ensemble. Sur la base de ces résultats, des conditions opératoires favorisant un colmatage réduit sont proposées.
Author: Oualid Boughzala
Author: Oualid Boughzala
Author: Florian Delrue
Author: Florian Delrue
Author: 
Author: Robert Dufresne
Author: Romuald Van Kaam
Author: Watsa Khongnakorn
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Author: Maria Elena Hernandez Rojas