Etude des mécanismes de transfert et évaluation des capacités d'oxygénation et de traitement des dispositifs de traitement par cultures fixées sur supports granulaires fins alimentés en discontinu-développement d'un modèle de biodégradation
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Aim of this work is to enhance understanding of the main phenomena occurring during infiltration of wastewater within vertical flow sand filter. We also introduce some operating possibilities which may improve efficiency and keep seepage beds in good working order. In the first part we document state of art in this research topic. Following some general remarks about different wastewater treatment techniques, more precise description of seepage beds is made with particular interest on its constraints and needs of further research. A central issue is the choice of porous media. It should be adapted to allow good oxygen feeding for bacteria growing on it and avoid biological clogging. Second part, mainly experimental, is focused on physical and hydraulic characterization of un-colonized crushed and stream sand. We carried out a residence time distribution (RTD) comparison of these two sands under steady and unsteady flow. Apart from characteristics of porous media and with a constant daily loading rate, decreased frequencies involve longer residence times. On the other hand, output recovery of the mass of injected tracer always occurs faster with stream sand. Continuation of hydrodynamic study is made with colonised porous media. Efficiency of biological removing of carbonaceous pollution is higher within stream sand. Opposite trend is observed with nitrogenous pollution. Removing of both nitrogenous and carbonaceous pollutions is linked to oxygenation. In other words it is linked to renewal of gaseous phase in porous medium. We highlight convection and diffusion of oxygen in porous media by using a fluorescence technology, which allows us to detect both gaseous and dissolved oxygen. We compare participation of convection and diffusion phenomena to renewal of oxygen. Achievement of this work consists on the development of a numerical code which simulates flow and pollution degradation through a colonized porous medium. Two different numerical methods have been used. In the first model, also called global approach, chemical and transport parts of each equation are solved by a single numerical scheme. A second model introduces a splitting operator method which solves separately and successively convective, dispersive and kinetic parts of each equation.
Abstract FR:
L'étude des mécanismes de transfert et évaluation des capacités d'oxygénation et de traitement des dispositifs de traitement par cultures fixées sur matériaux granulaires fins alimentés en discontinu. – Développement d'un modèle de biodégradation" est l'objet du travail mené visant une meilleure compréhension des mécanismes majeurs s'établissant au sein des lits d'infiltration percolation et permettant au moyen de certains choix opérationnels, une pérennisation de la filière. Tout d'abord, dans une première partie, nous exposons l'état d'avancement de la recherche dans ce domaine. Après des généralités sur les filières de traitement des eaux usées, il est fait cas de l'infiltration percolation sur sable; de ses spécificités, des contraintes qu'elle impose et des attentes au niveau de la recherche. La problématique du choix de type de sable qui constitue le matériau de garnissage ou support de la biomasse en relation avec les capacités d'oxygénation du milieu poreux et les risques de colmatage demeure un souci permanent. L'intérêt de la seconde partie essentiellement expérimentale porte sur la caractérisation physique et hydrodynamique des sables roulés et concassés constituant les massifs filtrants en milieux non colonisés. L'hydrodynamique des massifs filtrants a permis une analyse comparative des distributions de temps de séjour du fluide percolateur en milieu vierge et en régime continu puis discontinu. Indépendamment des supports étudiés, les temps de résidence du traceur sont d'autant plus élevés que l'alimentation se fait à fréquences espacées et à volume par bâchée considérable. En revanche, pour chacune des fréquences d'alimentation testées, la récupération du traceur s'est effectuée plus rapidement au sein de la colonne constitué des sables alluvionnaires. Le second volet de l'étude hydrodynamique est effectué en milieu colonisé. L'efficacité du traitement biologique du carbone est supérieure pour un sable d'origine alluvionnaire comparativement à un sable concassé ;la tendance s'inversant significativement lorsqu'il s'agit de l'abattement de l'azote. Cet efficacité est directement corrélée à l'oxygénation du massif filtrant autrement dit au renouvellement de la phase gazeuse du milieu poreux. Exploitant une technologie de fluorescence nous permettant de détecter aussi bien l'oxygène gazeux que dissous, nous parvenons à déterminer les différents ordres de grandeur des phénomènes de convection et de diffusion ainsi que leur importance relative dans la ré-oxygénation d'un massif filtrant. Le développement d'un modèle numérique simulant l'infiltration et le traitement des eaux usées à travers un milieu poreux colonisé constitue l'épilogue de ce travail. Deux approches de résolution sont utilisées : une approche globale qui résout simultanément à l'aide d'un unique schéma les parties transport et chimie de chaque équation et une approche par séparation d'opérateurs qui résout séparément et successivement les parties convection, dispersion et cinétique.