Modélisation du traitement de l'azote par boues activées en sites réels : calage et évaluation du modèle ASM1
Institution:
PauDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Wastewater treatment by activated sludge was progressively improved in order to remove not only carbonaceous pollutants but also nitrogen and phosphorus. In parallel, mathematical models were developed to represent the complex processes resulting from the biomass activity. This led to the complete description of carbon and nitrogen removal by the Activated Sludge Model n°1 (ASM1, 1987). This model, and all the following ones, are nowadays implemented in simulation software and used as design and operation support tools. Nevertheless the use of simulation in the wastewater treatment field requires high expertise. Furthermore, research must be continued on both models development and protocol for their calibration. In this context the PhD was carried out with the goals of updating Cemagref's recommendations for design and operation of French wastewater treatment plants, and participating to the international research presently carried out by the IWA task group “Guidelines for Use of Activated Sludge Models”. This document first introduces nitrogen removal by activated sludge and the corresponding models. ASM1 was selected for a full-scale survey. This 22-month study aimed at obtaining a calibration of the model parameters. Site characteristics have strongly influenced the development of monitoring methods and calibration/validation procedures adapted for intermittent aeration system. In parallel, laboratory experiments were performed to determine additional model parameters. The results allowed the evaluation of both the model robustness through several calibration campaigns and its capacity to represent real operation of the plant, especially under strong constraints such as nitrification inhibition. This modelling experience with full-scale data was used to simulate “advanced scenarios”. These scenarios aimed at understanding the advantages of simulation compared to conventional design methods. They also allowed deeper assessment of the model mechanisms and limitations. Finally, prospective scenarios compare several design and operation strategies when facing crisis event, such as erratic sludge wastage, rain events, or inhibition of nitrification.
Abstract FR:
La dépollution des eaux usées par les boues activées a été progressivement maîtrisée pour permettre de traiter non seulement les composés carbonés mais aussi l'azote et le phosphore. Parallèlement, des modèles mathématiques ont été développés pour représenter les processus complexes impliqués par l'activité de la biomasse. L'aboutissement de ces modèles à une description complète du traitement du carbone et de l'azote par boue activées a été apporté avec le modèle ASM1 (1987). Ce modèle, ainsi que ceux qui l'ont suivi sont désormais intégrés à des logiciels de simulation qui sont de véritables outils de dimensionnement et d'aide à la gestion pour les stations d'épuration. Cependant l'utilisation de la simulation dans le domaine des eaux usées requiert encore un niveau d'expertise élevé. De plus la recherche doit se poursuivre tant sur le plan du développement des modèles que sur les protocoles qui permettent leur utilisation pertinente. C'est dans ce contexte que cette thèse a été réalisée, avec les buts parallèles d'actualiser les recommandations du Cemagref pour le dimensionnement et la gestion des stations d'épuration en France, et de participer à la recherche internationale qui est actuellement représentée par le groupe de travail IWA “Guidelines for Use of Activated Sludge Models”. Ce document présente donc le traitement de l'azote par boues activées et les modèles qui y sont associés. Le modèle ASM1 a été sélectionné pour une étude sur site réel. Cette étude de 22 mois a eu pour objectif d'obtenir un calage des paramètres du modèle. Les caractéristiques du site réel ont fortement influencé le développement des méthodes de suivi avec un protocole spécifique aux systèmes d'aération intermittente. Parallèlement, des tests complémentaires en laboratoire et un protocole propre au calage du modèle et à sa validation ont été élaborés. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer d'une part la robustesse d'un calage et d'autre part la capacité du modèle à représenter le fonctionnement réel de la station, notamment lorsque des contraintes fortes comme une inhibition de la nitrification sont survenues. Les connaissances acquises lors de l'étude sur site réel ont ensuite été valorisées par des travaux de simulation sur des " scénarios avancés ". Ces scénarios ont permis d'appréhender l'apport de la simulation par rapport aux méthodes de dimensionnement conventionnelles. Ils ont également permis d'étudier de manière approfondie les mécanismes du modèle et leurs limitations. Enfin des scénarios prospectifs ont amené à discuter différentes options de dimensionnement et de gestion face à des situations de crise (problèmes de gestion de la boue, temps de pluie ou inhibition).