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National audience

National audience; Afin d’améliorer la compréhension des émissions de protoxyde d’azote du secteur de l’assainissement et permettre l’élaboration de leviers d’action de réduction, le sous-groupe de travail de l’Astee « Méthodologie de quantification des émissions de N2O » présentera l’avancement de ses travaux relatifs à l’évaluation des valeurs de référence des facteurs d’émission pour la quantification de ce puissant gaz à effet de serre et discutera des possibles leviers d’action.

National audience; Afin d’améliorer la compréhension des émissions de protoxyde d’azote du secteur de l’assainissement et permettre l’élaboration de leviers d’action de réduction, ce travail présente les différentes approches existantes pour la mesure de ces émissions gazeuses avec des exemples d’applications et en définit les limites et recommandations principales d’utilisation.

International audience

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International audience; There is a growing interest among communities in the anaerobic digestion of sewage sludge. Indeed, this biological process allows to reduce sewage sludge quantity and to produce stabilized sludge and biogas. The biogas can be used for heat production, converted into electricity, used as biofuel or injected into the natural gas grid since the modification in June 2014 of the decree of November 23, 2011. This study is motivated by this regulatory development and should provide an inventory of fixtures of the current practices in France regarding the digestion of sewage sludge. The results presented were obtained following a survey of the wastewater treatment plant operators. 96 installations of sewage sludge methanisation were counted in France. The questionnaire replies were used to identify the most common practices as well as the problems encountered by the operators. The digesters are most of the time designed to operate with a mixture of primary and secondary sludge heated at 37°C or 55°C with the produced biogas. Although the operators sometimes add fats to the mixture, co-digestion is still rarely used due to regulatory constraints. The performances in terms of sludge reduction and biogas production have been determined and linked to the type of introduced sludge. Despite some difficulties related to clogged pipes, sludge return liquors loaded in nitrogen, or the respect of gas and dehydrated sludge quality standards, the operators seem to be satisfied and an increasing number of projects has been identified. The biogas is now mainly used to produce energy in addition to heating the digester, and at the end of 2018, 8 communities have already chosen to inject biomethane into the natural gas grid.; La digestion des boues de station d’épuration suscite de plus en plus d’intérêt auprès des collectivités. Ce procédé biologique permet en effet de réduire de façon importante le volume des boues produites, de les stabiliser et de générer du biogaz. Ce biogaz peut être valorisé sous forme d’énergie thermique et/ou électrique, être utilisé comme biocarburant, ou être injecté dans le réseau de gaz de ville depuis juin 2014, avec la modification de l’arrêté du 23 novembre 2011. Motivée par cette évolution réglementaire, cette étude a permis de réaliser un état des lieux des pratiques actuelles en France concernant la digestion des boues d’épuration. Les résultats présentés ont été obtenus à la suite d’une enquête réalisée auprès des exploitants de stations d’épuration équipées d’une filière de digestion. 96 installations de ce type ont pu être répertoriées en France métropolitaine. Les réponses au questionnaire technique envoyé ont permis d’identifier les pratiques majoritaires ainsi que les problèmes rencontrés en exploitation. Les digesteurs sont alimentés principalement avec un mélange de boues primaires et de boues secondaires, et sont conçus pour fonctionner en chauffant les boues à 37 °C ou 55 °C grâce au biogaz produit. Bien que les exploitants ajoutent parfois des graisses au mélange, la codigestion reste peu utilisée du fait des contraintes réglementaires. Les performances obtenues en matière de réduction du volume des boues et de production de biogaz ont pu être déterminées et reliées à la nature des boues introduites. Malgré quelques difficultés liées au bouchage de canalisations par des filasses, à la gestion des retours en tête chargés en azote ou au respect des normes de qualité du biogaz et des boues déshydratées, les exploitants se disent globalement satisfaits et un nombre croissant de projets de digestion a pu être mis en évidence. Le biogaz produit est désormais majoritairement valorisé afin de produire de l’énergie en plus de chauffer le digesteur et, à fin 2018, huit stations ont déjà opté pour l’injection de biométhane épuré dans les réseaux de distribution de gaz.

International audience; L'énergie principalement utilisée dans les files « eau » des stations d’épuration alimentent des systèmes d’aération permettant d’oxyder la matière organique carbonée et azotée. La consommation moyenne des stations à boues activées en France est de 3,2 kWh/kgDBO5 éliminée Il existe plusieurs stratégies pour améliorer l’efficacité énergétique dont le meilleur contrôle des procédés (Rapport https://energie-step.irstea.fr/), mais il est également possible de réduire considérablement les consommations en captant la matière organique plutôt qu’en l’oxydant. En effet, la matière organique peut être concentrée dans les boues, puis dirigée vers la digestion anaérobie pour produire du biogaz. Jusqu’à 47% de la DCO entrante peut être transformée en CH4 comparativement au 33% de capacité de valorisation dans les stations conventionnelles. Dans le contexte de la transition énergétique, le secteur de l’assainissement peut donc contribuer à la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles avec le développement de stations d’épuration significativement moins énergivores. Cet objectif s’inscrit dans le cadre de la transition des stations d’épuration (STEP) vers les Stations de Récupération de Ressources des Eaux (StaRRE). Le projet CAPTURE d’une durée de 4 ans a été lancé en mai 2018 en collaboration avec le Grand Lyon, l’AERMC, Saur, INSA Lyon et Irstea. Il propose d’étudier à l’échelle pilote puis de démonstration deux technologies innovantes pour le captage rapide et efficace du carbone en tête des stations existantes. •La décantation primaire améliorée : Le procédé chimique consiste à utiliser des produits (sels métalliques, polymères ou polymères biosourcés). •Les procédés biologiques à très forte charge tels que le procédé-A : Un procédé biologique qui est caractérisé par un temps de séjour et un âge de boues très court (respectivement 30 – 60 minutes et < 1 jour)Des essais en continu à l’échelle pilote ont été réalisés sur la plateforme de recherche de la Feyssine (Irstea-Grand Lyon). Des essais à l’échelle démonstrateur sont envisagés à la Station d’épuration de SaintFons (69). L’impact de la capture du carbone sur les chaînes de valorisation des boues et sur le traitement l’azote seront également étudiés par la suite sur la base des résultats obtenus et de leur modélisation.

International audience; Bien que la crise sanitaire liée à la pandémie du covid-19 ait montré que notre société peut adopter temporairement des mesures induisant une réduction drastique de sa consommation, le mode de développement des pays industrialisés induit de manière chronique une pression extrême sur les ressources naturelles, et bouleverse les équilibres de la planète.

National audience; . CONTEXTE Le protoxyde d'azote (N 2 O) est un puissant gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement est équivalent à 300 fois celui du dioxyde de carbone (CO 2). Il joue également un rôle clé dans la destruction de la couche d'ozone [1]. Principalement d'origine naturelle (sols et hydrosphère), il est également émis par les procédés de traitement des eaux usées lors du traitement biologique de l'azote par nitrification et dénitrification. Actuellement, le facteur d'émission (3,2 g N 2 O/EH/an équivalent à 0,037% de la charge entrante en azote), utilisé pour quantifier les émissions directes des stations d'épuration, provient de données acquises sur une seule installation à boues activées d'Amérique du Nord [2]. Si les données d'émission de N 2 O par les procédés conventionnels à boues activées se sont multipliées ces dernières années, celles des procédés à biomasse fixée, tels que les biofiltres, sont encore très rares. Or, ce procédé de traitement est très répandu en France (130 installations, 20% de la capacité des stations), en particulier dans les grandes agglomérations. Les mesures réalisées sur les biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval (5,5 millions d'EH, Ile de France) indiquent des taux d'émission du N 2 O bien plus élevés : facteur d'émission = 3,6% en période hivernale et 2,0% en période estivale [3]. De plus, ces émissions-si elles étaient comptabilisées-multiplieraient par 4 le bilan carbone de la file biologique de traitement de l'azote à Seine Aval [4]. Un enjeu émergeant dans le traitement des eaux usées est donc de quantifier et maitriser le N 2 O émis afin de réduire l'empreinte environnementale des installations. Cette étude a été réalisée dans le cadre du programme de recherche Mocopée (http://www.mocopee.com/) avec le support financier de l'ANR [projet N2Otrack 2015-2020, ANR-15-CE04-0014]. Son objectif est d'apporter des informations sur les conditions d'apparition du protoxyde d'azote lors du traitement des eaux résiduaires urbaines par nitrification en biofiltration. A cette fin, un modèle représentant le fonctionnement des biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval [5] a été étendu pour y inclure les principales voies biologiques de production de N 2 O [6,7]. Les paramètres du modèle ont été calés sur un jeu de données comprenant deux ans de fonctionnement des biofiltres et incluant deux périodes pour lesquelles les flux de N 2 O ont été mesurés. Sur la base de ces résultats : un facteur d'émission moyen annuel a été proposé, des leviers de réduction des émissions ont été identifiés et un modèle statistique a été établi afin de proposer une nouvelle méthodologie de quantification.

International audience; Les bioréacteurs à membranes se sont largement développés ces dernières années en assainissement des eaux résiduaires urbaines. Malgré les avantages du procédé, le colmatage des membranes engendre des contraintes économiques liées aux coûts énergétiques et au remplacement prématuré des membranes. Différentes stratégies de limitation du colmatage sont mises en place, dont l’aération séquencée des membranes à l’aide de grosses bulles. Cependant, les mécanismes d’action de cette aération et l’hydrodynamique des réacteurs restent relativement méconnus, en particulier à l’échelle industrielle et en présence de boues. Un pilote semi-industriel de filtration membranaire a été conçu et installé sur l’unité de traitement des jus de Seine Aval. Ce pilote a permis d’étudier l’impact de l’aération sur les performances de filtration en couplant une analyse statistique (systèmes d’inférence floue) et une caractérisation de l’hydrodynamique du réacteur (tomographie de résistivité électrique). Des chemins préférentiels de passage des bulles ont été observés à faible débit d’air et forte concentration en matières en suspension à l’aide de la tomographie de résistivité électrique. Ces observations fournissent des éléments d’explication aux résultats de l’arbre de décision flou focalisé sur l’analyse de l’impact du débit d’air sur la dérive journalière de perméabilité. La concentration en matières en suspension des boues et la différence de demande chimique en oxygène entre le surnageant des boues et le perméat s’avèrent être les facteurs les plus impactants pour les conditions opératoires testées. Ils traduisent l’efficacité de l’aération, que ce soit en matière de répartition du champ de bulles et/ou de relargage d’éléments colmatants. Ces résultats invitent à considérer la régulation de l’aération en fonction des propriétés des boues dans les procédés industriels.

National audience; Suite à l'évolution de la législation qui autorise depuis 2014 la ré-injection du biométhane provenant de boues d'épuration dans le réseau de distribution du gaz naturel, un état des lieux de la digestion anaérobie des boues de stations d'épuration urbaines Françaises était nécessaire. A cette fin, une enquête nationale a été déclenchée en 2018 auprès des exploitants et/ou maîtres d'ouvrage des sites équipés de digesteurs. Le questionnaire, détaillé et technique, portait sur le dimensionnement, les performances, les paramètres de fonctionnement, et les retours d'expériences des exploitants de digesteurs. Le premier objectif visait à réactualiser l'état des lieux de la digestion anaérobie des boues de station d'épuration (AERMC, 2012), en le portant au niveau national. Le second était de compléter les connaissances acquises lors de précédentes enquêtes pour mieux comprendre les relations entre production de biogaz, paramètres de fonctionnement du digesteur et caractéristiques des produits entrants. Le troisième objectif était de mutualiser les retours d'expériences d'un panel de collectivités et prestataires afin d'avancer sur les questions soulevées par cette filière de valorisation en pleine expansion Cette étude a été réalisée par INRAE UR REVERSAAL avec le soutien de l'agence de l'eau Rhône Méditerranée Corse et du réseau régional d'échanges des exploitants de stations d'épuration du GRAIE.

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National audience; Les enjeux de l'assainissement vont au-delà de la seule épuration des eaux usées. Parmi les défis que doivent relever les stations d'épuration figurent : l'optimisation des consommations, le recyclage des ressources qu'elles contiennent (énergie, matières), la réduction des impacts environnementaux et la maîtrise des coûts. Dans ce contexte, les modèles mathématiques du fonctionnement des stations sont apparus comme un outil de choix pour l'aide à la conception et à la gestion des stations ainsi qu'à la formation du personnel et à la recherche. La représentation mathématique du fonctionnement des installations de traitement des eaux nécessite plusieurs modèles, parmi lesquels : un modèle d'écoulements ; des modèles représentant les phénomènes physico-chimiques (précipitation-dissolution, décantation, filtration, adsorption …), un modèle biocinétique représentant les phénomènes biologiques ; un modèle de fractionnement de la matière organique en classe de biodégradabilité, permettant de convertir les analyses réalisées sur l'eau usée en variables d'état utilisées dans les modèles; et un modèle de transfert gaz-liquide (aération, émissions de gaz, ...). Cette présentation vise à montrer des exemples de travaux réalisés à l'aide d'approches de modélisation et à illustrer l'apport de ces outils dans le développement de connaissances et leur implication opérationnelle. Les challenges actuels sont également abordés.

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National audience; Electrical resistance tomography is adapted and applied to characterize gas dispersion in a semi-industrial pilot for membrane filtration. The developed methodology, based on numerical investigation, allows to study the impact of insufflated air flow rate and mixed liquor concentration on gas dispersion into filtration modules.; La tomographie de résistivité électrique est adaptée et mise en oeuvre pour la caractérisation de la distribution de gaz dans un pilote semi-industriel de filtration membranaire. La méthodologie développée, en s'appuyant sur une étude numérique, a permis de mettre en évidence l'impact du débit d'air et de la concentration en matière en suspension sur cette distribution au sein des modules de filtration.

National audience; Des mesures d'émission de protoxyde d'azote (N2O, puissant gaz à effet de serre) ont été réalisées sur les unités de biofiltration de la station de Seine Aval au cours de l'année 2014 (période estivale) et 2015 (période hivernale). Ces travaux s'inscrivent dans le cadre de l'axe n°1 du programme Mocopée « Métrologie et traitement du signal » et visent à apporter une estimation du facteur d'émission de N2O pour les procédés de biofiltration en nitrification tertiaire et post-dénitrification et à préciser les conditions opératoires favorisant la production de ce gaz à effet de serre. Les résultats obtenus à l'échelle des unités de biofiltration indiquent que l'étape de nitrification est la source principale de production et d'émission de N2O. La dénitrification permet, quant à elle, de réduire les émissions de la filière en consommant une partie du flux de N2O dissous issu de l'étape amont de nitrification. Afin maximiser ce taux de réduction, il convient d'optimiser le dosage de méthanol. Une analyse statistique a été réalisée afin d'identifier les paramètres influençant la production de N2O lors de la nitrification. Celle-ci suggère que les conditions conduisant à l'expansion du biofilm favoriseraient la production du N2O. A l'échelle de cette filière de traitement de l'azote, les émissions de N2O correspondent à environ 2,1 % de la charge d'azote entrante et représentent plus de 80 % du bilan carbone.

National audience; Le contrôle des émissions de gaz à effet de serre, en particulier celles du protoxyde d'azote (N2O), constitue un enjeu émergent du secteur du traitement des eaux usées. Aujourd'hui, la compréhension des mécanismes de production de N2O dans les procédés à biomasse fixée, potentiellement très émetteurs, est moins avancée que pour les procédés conventionnels à boues activées. Dans le projet N2OTRACK (2016-2019), financé par l'Agence Nationale de la Recherche et s'inscrivant dans l'axe 2 du programme Mocopée, un modèle décrivant les performances de traitement d'un biofiltre nitrifiant a été étendu pour inclure les processus biologiques de production de N2O, puis confronté à un jeu de données collectées à l'échelle réelle. Une étude de sensibilité a été menée pour évaluer l'impact de la représentation du transfert gaz/liquide sur les prédictions du modèle. Les résultats soulignent l'importance de bien caractériser la composition des deux phases, gazeuse et liquide, pour permettre la description des émissions de N2O. En particulier, la prise en compte de l'enrichissement du gaz en N2O sur la hauteur du biofiltre s'avère essentielle à la bonne représentation de la répartition du flux de N2O entre les phases gazeuse et liquide.

National audience; Les bioréacteurs à membranes se sont largement développés ces dernières années en assainissement domestique urbain. A ce jour, deux installations du Siaap sont équipées de ce procédé (Seine Aval, Seine Morée). Cependant, le colmatage des membranes reste une problématique industrielle importante pouvant entrainer des coûts énergétiques et de remplacement importants. Différentes stratégies de limitation du colmatage sont mises en place, dont l'aération séquencée des membranes à l'aide de grosses bulles. Cependant, les mécanismes d'impact de cette aération restent relativement méconnus. Dans le cadre de l'axe 2 du programme de recherche Mocopée, un pilote semi-industriel de filtration membranaire a été conçu, dimensionné et installé sur l'unité de traitement des jus de Seine Aval. Ce pilote a permis d'étudier l'impact de l'aération sur les performances de filtration. La caractérisation de la dispersion des bulles au sein des réseaux de fibres a été réalisée à l'aide de la tomographie de résistivité électrique, en s'appuyant sur un protocole innovant basé sur la modélisation. Les résultats obtenus mettent en évidence l'impact couplé du débit d'air et de la concentration en matières en suspension sur cette dispersion du gaz. Ces résultats permettent d'envisager la régulation de l'aération en fonction de la concentration en MES dans les procédés industriels.

International audience; Le protoxyde d'azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES), environ 300 fois plus impactant que le dioxyde de carbone (CO2). Il joue également un rôle clé dans la destruction de la couche d'ozone. Principalement d'origine naturelle (sols et hydrosphère), il est également émis par les procédés de traitement des eaux usées lors du traitement biologique de l'azote. Le rendu des bilans d'émission de GES, tel que défini par la réglementation française, est actuellement basé sur l'utilisation de facteurs d'émission fixes et simplistes qui ne tiennent pas compte de l'influence des paramètres de dimensionnement et de gestion des stations sur les émissions. Si les données d'émission de N2O par les procédés conventionnels fonctionnant selon le principe des boues activées se sont multipliées ces dernières années, celles des procédés à biomasse fixée et des procédés extensifs sont encore très rares. Dans le cadre de projet collaboratifs avec les professionnels du domaine, d'une convention avec l'ONEMA et du programme de recherche Mocopée, Irstea a réalisé des campagnes de mesure des émissions de N2O de trois procédés de traitement majoritairement employés en France : (i) les boues activées, (ii) les biofiltres et (iii) les filtres plantés de roseaux. Des protocoles d'échantillonnage et de mesure spécifiques à chaque procédé ont été développés. Ces derniers prennent en compte la variabilité spatiale et temporelle des émissions. Parallèlement à ces mesures, une étude approfondie des procédés a été réalisée afin de préciser le lien entre les conditions opératoires et les émissions observées. Les résultats obtenus mettent en évidence la forte disparité des émissions de N2O d'un procédé à l'autre (de 0 à 5 % de N-N2O/Nentrant) mais également la variabilité temporelle de ces émissions pour un même procédé en lien avec les paramètres opératoires observés. Cette hétérogénéité des résultats démontre (i) la nécessité de définir à minima un facteur d'émission par procédé, en tenant compte des spécificités de chacun et (ii) le manque de pertinence de l'approche actuelle du GIEC basée sur l'utilisation de facteurs d'émission fixes, pouvant conduire à une forte sous-estimation du poids de ces émissions sur l'impact environnemental des stations d'épuration. Cette présentation vise à apporter un éclairage sur la problématique des émissions de GES par les procédés de traitement des eaux usées et à préciser les facteurs d'émission du protoxyde d'azote pour les différents procédés étudiés.

International audience; Dans un contexte de maîtrise des dépenses énergétiques et des émissions de gaz à effet de serre, la modélisation du fonctionnement des stations d'épuration constitue un outil très efficace et de plus en plus utilisé pour minimiser les impacts et les coûts induits par le traitement des eaux résiduaires, tout en garantissant l'efficacité et la fiabilité des filières. Afin d'intégrer ces dépenses dans les modèles physiques et biologiques, le développement de modèles d'énergie est requis. Il s'agit de relier les consommations aux variables opératoires (charges reçues/traitées, débits,…), par poste. Le travail présenté a consisté à identifier, pour les files eau, boues et air, les différents postes à considérer, et à élaborer une méthodologie systématique basée sur l'analyse couplée des données de fonctionnement et des résultats d'un audit énergétique. Cette méthodologie est appliquée aux données d'une station d'épuration dimensionnée pour traiter les eaux résiduaires urbaines de 300000 EH, étudiée dans le cadre d'un projet en collaboration avec l'Agence de l'Eau Rhône-Méditerranée-Corse.

International audience; Dans un contexte de maîtrise des dépenses énergétiques et des émissions de gaz à effet de serre, la modélisation du fonctionnement des stations d'épuration constitue un outil très efficace et de plus en plus utilisé pour minimiser les impacts et les coûts induits par le traitement des eaux résiduaires, tout en garantissant l'efficacité et la fiabilité des filières. Afin d'intégrer ces dépenses dans les modèles physiques et biologiques, le développement de modèles d'énergie est requis. Il s'agit de relier les consommations aux variables opératoires (charges reçues/traitées, débits,…), par poste. Le travail présenté a consisté à identifier, pour les files eau, boues et air, les différents postes à considérer, et à élaborer une méthodologie systématique basée sur l'analyse couplée des données de fonctionnement et des résultats d'un audit énergétique. Cette méthodologie est appliquée aux données d'une station d'épuration dimensionnée pour traiter les eaux résiduaires urbaines de 300000 EH, étudiée dans le cadre d'un projet en collaboration avec l'Agence de l'Eau Rhône-Méditerranée-Corse.

Journées Information Eaux JIE, Poitiers, FRA, 11-/10/2016 - 13/10/2016; National audience; Le protoxyde d'azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES), environ 300 fois plus impactant que le dioxyde de carbone (CO2). Il joue également un rôle clé dans la destruction de la couche d'ozone. Principalement d'origine naturelle (sols et hydrosphère), il est également émis par les procédés de traitement des eaux usées lors du traitement biologique de l'azote. Le rendu des bilans d'émission de GES, tel que défini par la réglementation française, est actuellement basé sur l'utilisation de facteurs d'émission fixes et simplistes qui ne tiennent pas compte de l'influence des paramètres de dimensionnement et de gestion des stations sur les émissions. Si les données d'émission de N2O par les procédés conventionnels fonctionnant selon le principe des boues activées se sont multipliées ces dernières années, celles des procédés à biomasse fixée et des procédés extensifs sont encore très rares. Dans le cadre de projet collaboratifs avec les professionnels du domaine, d'une convention avec l'ONEMA et du programme de recherche Mocopée, Irstea a réalisé des campagnes de mesure des émissions de N2O de trois procédés de traitement majoritairement employés en France : (i) les boues activées, (ii) les biofiltres et (iii) les filtres plantés de roseaux. Des protocoles d'échantillonnage et de mesure spécifiques à chaque procédé ont été développés. Ces derniers prennent en compte la variabilité spatiale et temporelle des émissions. Parallèlement à ces mesures, une étude approfondie des procédés a été réalisée afin de préciser le lien entre les conditions opératoires et les émissions observées.Les résultats obtenus mettent en évidence la forte disparité des émissions de N2O d'un procédé à l'autre (de 0 à 5 % de N-N2O/Nentrant) mais également la variabilité temporelle de ces émissions pour un même procédé en lien avec les paramètres opératoires observés. Cette hétérogénéité des résultats démontre (i) la nécessité de définir à minima un facteur d'émission par procédé, en tenant compte des spécificités de chacun et (ii) le manque de pertinence de l'approche actuelle du GIEC basée sur l'utilisation de facteurs d'émission fixes, pouvant conduire à une forte sous-estimation du poids de ces émissions sur l'impact environnemental des stations d'épuration.Cette présentation vise à apporter un éclairage sur la problématique des émissions de GES par les procédés de traitement des eaux usées et à préciser les facteurs d'émission du protoxyde d'azote pour les différents procédés étudiés.

National audience

Measurements have been conducted in four full-scale wastewater treatment plants in order to characterize the N2O emission factor from three biological nitrogen removal processes: activated sludge, biofilters and vertical subsurface flow constructed wetlands. For each process the operational conditions favoring N2O emissions were investigated. Our measurements highlighted the wide discrepancy of N2O emissions from one process to another (from 0.19 % N2O-Ninfluent to 4.86 % of N2O-N/Ntreated) and their high temporal variability for a given process. These results indicates (i) the need to define a process specific N2O emission factor taking into account the operating conditions of each process, (ii) the lack of accuracy of the current IPCC accounting approach based on the use of deterministic emissions factors and the necessity of replacing it by a stochastic approach that takes into account uncertainty and variability of reported results.; Des mesures ont été réalisées sur quatre stations d'épuration des eaux résiduaires urbaines afin de quantifier les facteurs d'émission de protoxyde d'azote (N2O) de trois procédés de traitement des ERUs : boue activée, biofiltration et filtres plantés de roseaux verticaux. Pour chacun de ces procédés, les principaux paramètres opératoires influençant ces facteurs d'émission ont été identifiés. L'ensemble des mesures réalisées a permis de mettre en évidence la forte disparité des émissions de N2O d'un procédé à l'autre (de 0,19 % de N-N2O/Nentrant à 4,86 % de N-N2O/NH4 dégradé) mais également de la variabilité temporelle de ces émissions pour un même procédé. Cette hétérogénéité des résultats démontre (i) la nécessité de définir à minima un facteur d'émission par procédé, en tenant compte des spécificités de chacun et (ii) le manque de pertinence de l'approche actuelle du GIEC basée sur l'utilisation de facteurs d'émission déterministes, pouvant conduire à une forte sous-estimation du poids de ces émissions sur l'impact environnemental des stations, et la nécessité de la remplacer par une approche stochastique intégrant incertitude et variabilité au fur et à mesure des avancées des connaissances scientifiques.

Nitrous oxide (N2O) emissions from a full-scale nitrifying and denitrifying biofiltration wastewater treatment plant were characterized over two periods (summer and winter campaigns). N2O emissions were monitored on-line in both gaseous and liquid phases. Operating conditions of the biofilters (such as nitrogen load, concentration of nitrogen forms, oxygen, pH, temperature...) were characterized in order to highlight the main parameters inducing N2O emissions. The main results of the study are: For the nitrifying biofilters: -The N2O emission factors represented 2.26% ± 0.46% and 4.86% ± 0.54% of the ammonium uptake rate during summer and winter, respectively; -The major part of N2O flux is directed to the gaseous phase. However, the monitoring of the liquid phase is required as liquid N2O flux can represent up to 45% of the total N2O flux depending on process conditions (temperature and aeration rate); -Results highlighted high diurnal variability of N2O emissions. Thus, monitoring of N2O fluxes over at least one filtration cycle is required; -Possible links between biofilter operating conditions and N2O fluxes were examined via multivariate regression modelling using R software. Results indicated that N2O fluxes were correlated to 6 parameters: (1) influent temperature, (2) influent ammonium concentration, (3) influent flow rate, (4) influent nitrate concentration, (5) filtration time and (6) air flow rate. Effluent nitrite concentration (that was not considered for the statistical analysis) is also an important factor influencing N2O emissions; -The increase in N2O emissions in winter were imputed to higher production of N2O via nitrifier denitrification due to higher oxygen limitations within the biofilm; -A strategy of mitigation of N2O emissions from nitrifying biofilters includes the control of biofilm thickness and the control of aeration rate. For the denitrification biofilters: -More than 99% of N2O flux is discharged into the river with the effluent; -The N2O emission factors represented 1.28% ± 1.99% and 0.22% ± 0.31% of the nitrate uptake rate during summer and winter, respectively. -Denitrification was able to consume a large amount of dissolved N2O coming from the upstream nitrification stage. On average a reduction of 86% of the dissolved N2O flux was measured during the winter campaign; -The control of the influent C to N ratio is essential to maximize the reduction of dissolved N2O coming from the upstream nitrification stage and minimize the accumulation of N2O during the reduction of nitrate. For the BNR stage: -The N2O emission factor of the BNR stage represented 2.11% of the inlet nitrogen load (based on results of the winter campaign). -N2O emissions contributed to more than 80% of the carbon footprint of the BNR stage of the WWTPs (excluding sludge treatment).; Des mesures d'émission de protoxyde d'azote (N2O) ont été réalisées sur une unité de biofiltration en nitrification tertiaire et en post-dénitrification lors de deux périodes (conditions estivale et hivernale). Durant ces campagnes, un suivi poussé des émissions de N2O a été réalisé sur les phases gazeuse et liquide. Parallèlement à cela, une analyse des paramètres de fonctionnement de chaque station (charges en azote entrante et traitée, concentration des formes de l'azote dans le liquide, concentration en oxygène, pH, température,...) a été réalisée afin de caractériser les principaux facteurs favorisant la production de N2O. Les principales conclusions de cette étude sont : Pour les biofiltres nitrifiants : -Les facteurs d'émission de N2O mesurés sont respectivement de 2,26% ± 0,46% et de 4,86% ± 0,54% de la charge ammoniacale dégradée en été et en hiver ; -Bien que la majeure partie des flux de N2O soit dirigée vers la phase gazeuse, une attention particulière doit être accordée à la phase liquide qui peut constituer jusqu'à 45% des flux de N2O en fonction des conditions opératoires (température et débit d'aération) ; -Une forte variabilité journalière et saisonnière des facteurs d'émission a été mise en évidence. Ainsi, il est recommandé de suivre en ligne les flux de N2O sur au moins un cycle de filtration (durée variable dépendant de la période de mesure) ; -Le lien entre les émissions observées et les paramètres opératoires des biofiltres a fait l'objet d'une analyse statistique à l'aide du logiciel R. Les résultats indiquent que les émissions de N2O sont corrélées à 6 paramètres : (1) température de l'influent, (2) concentration en ammonium de l'influent, (3) débit d'influent, (4) concentration en nitrate de l'influent, (5) temps de filtration et (6) débit d'air. La concentration en nitrite dans l'effluent de sortie (qui n'a pas été incluse dans le jeu de données pour l'analyse statistique) est également un paramètre d'influence ; -Les résultats suggèrent que l'augmentation des émissions de N2O en hiver est liée à une production plus importante de N2O par la voie de la dénitrification autotrophe du fait de la présence de limitations de l'oxygène dans le biofilm ; -Le contrôle de l'épaisseur du biofilm et de l'aération constitue une stratégie de réduction des émissions de N2O en nitrification. Pour les biofiltres dénitrifiants : -Plus de 99% du flux total de N2O (gaz + liquide) issu de l'étage de dénitrification est rejeté dans le milieu récepteur avec l'effluent ; -Les facteurs d'émission mesurés sont respectivement de 1,28% ± 1,99% et de 0,22% ± 0,31% de la charge en nitrate dégradée en été et en hiver ; -L'étape de dénitrification est consommatrice de N2O dissous issu de l'étape amont de nitrification dans les conditions classiques de fonctionnement. En moyenne un abattement de N2O par le biofiltres dénitrifiants de 86% a été mesuré lors de la campagne hivernale ; -Une piste de réduction des émissions de N2O des biofiltres dénitrifiants réside dans le contrôle du ratio C/N pour maximiser la consommation de N2O dissous issu de l'étape amont de nitrification et minimiser sa production lors de la réduction des nitrates. Pour la filière de traitement de l'azote : -Le facteur d'émission de N2O de la filière a été estimé à 2,11% de la charge en azote entrante (sur la base des données de la campagne hivernale). -Les émissions de N2O représentent plus de 80% du bilan carbone de la filière eau de l'unité de biofiltration.

Nitrous oxide emissions have been investigated in two different WWTPs using vertical subsurface flow constructed wetlands for water treatment. N2O emissions have been monitored in both gaseous and liquid phases. In addition, CH4 and CO2 gaseous emissions were characterized. Operational parameters of the wastewater treatment plants (such as nitrogen load, concentration and forms of nitrogen) have been followed in order to highlight the main parameters inducing N2O emissions. The main results of the measurement campaigns are: - Gaseous N2O emission factors measured represented 0.46 % and 0.64 % of inlet nitrogen load in WWTP 3 and 4. These factors are more than 22 and 28 times higher than those proposed by IPCC ; - In WWTP4, total N2O emission factor (gaseous + liquid) was estimated to be 0.78 %; which is 2.4 times higher than the one obtained with the IPCC accounting approach (taking into account both direct and indirect emissions); - High dynamics of GHG emissions have been observed. Practically, this implies that measurements must be performed during at least one total cycle of the studied filter (feeding + resting period) for to be relevant; - A spatial variability has also been observed showing the importance of the sampling strategy on emission evaluation ; - The oxygen content of the filter media has been evaluated as an important factor governing N2O and CH4 emissions. - High CH4 emissions have been measured in WWTP 3 (2.64 %, kgCH4-C/kgCODinlet) and linked to the poor oxygenation of the filter due to its important clogging.; Des mesures d'émission de protoxyde d'azote (N2O) ont été réalisées sur deux stations d'épuration (stations 3 et 4), situées dans le Loiret et fonctionnant selon le procédé des filtres plantés de roseaux à écoulement vertical. Pour ces deux systèmes, un suivi poussé des émissions de protoxyde d'azote, a été réalisé sur les phases gazeuse et liquide. En plus du N2O, les émissions gazeuses du méthane (CH4) et du dioxyde de carbone (CO2) ont été caractérisées. Parallèlement à cela, une analyse des paramètres de fonctionnement de chaque station (charges en azote entrante et traitée, concentration des formes de l'azote dans le liquide, ...) a été réalisée afin de caractériser les principaux facteurs favorisant la production de N2O. Les conclusions majeures de ce travail sont : - Les facteurs d'émission de N2Ogazeux mesurés sont respectivement de 0,46 % et de 0,64 % de la charge en azote entrant pour les stations 3 et 4. Ces facteurs sont 22 et 28 fois supérieurs à ceux estimés par la méthode du GIEC (pour les émissions directes) ; - En tenant compte des émissions gazeuses et liquides, le facteur d'émission mesuré sur la station 4 atteint 0,78 %, ce qui est 2,4 fois supérieur à celui estimé par la méthode du GIEC (pour les émissions directes et indirectes) ; - De fortes dynamiques des émissions ont été observées ce qui indique une variabilité temporelle importante. Dans la pratique, une mesure continue des émissions sur au minimum un cycle de filtration (alimentation + repos) est nécessaire pour caractériser les émissions de ce type de procédé pour une période donnée de l'année ; - Une variabilité spatiale des émissions a aussi été observée et indique l'importance de l'échantillonnage dans la caractérisation pertinente des émissions de N2O ; - L'oxygénation du massif filtrant semble être un facteur important influençant les émissions de N2O et CH4 dans les deux stations étudiées ; - De fortes émissions de méthane (CH4) ont été mesurées dans la station 3 (2,64 %, kgC-CH4/kgDCOentrante). Ces fortes émissions ont été imputées à la mauvaise oxygénation du filtre due à son colmatage important.

Measurements have been conducted in four full-scale wastewater treatment plants in order to characterize the N2O emission factor from three biological nitrogen removal processes: activated sludge, biofilters and vertical subsurface flow constructed wetlands. For each process the operational conditions favoring N2O emissions were investigated. Our measurements highlighted the wide discrepancy of N2O emissions from one process to another (from 0.19 % N2O-Ninfluent to 4.86 % of N2O-N/Ntreated) and their high temporal variability for a given process. These results indicates (i) the need to define a process specific N2O emission factor taking into account the operating conditions of each process, (ii) the lack of accuracy of the current IPCC accounting approach based on the use of deterministic emissions factors and the necessity of replacing it by a stochastic approach that takes into account uncertainty and variability of reported results.; Des mesures ont été réalisées sur quatre stations d'épuration des eaux résiduaires urbaines afin de quantifier les facteurs d'émission de protoxyde d'azote (N2O) de trois procédés de traitement des ERUs : boue activée, biofiltration et filtres plantés de roseaux verticaux. Pour chacun de ces procédés, les principaux paramètres opératoires influençant ces facteurs d'émission ont été identifiés. L'ensemble des mesures réalisées a permis de mettre en évidence la forte disparité des émissions de N2O d'un procédé à l'autre (de 0,19 % de N-N2O/Nentrant à 4,86 % de N-N2O/NH4 dégradé) mais également de la variabilité temporelle de ces émissions pour un même procédé. Cette hétérogénéité des résultats démontre (i) la nécessité de définir à minima un facteur d'émission par procédé, en tenant compte des spécificités de chacun et (ii) le manque de pertinence de l'approche actuelle du GIEC basée sur l'utilisation de facteurs d'émission déterministes, pouvant conduire à une forte sous-estimation du poids de ces émissions sur l'impact environnemental des stations, et la nécessité de la remplacer par une approche stochastique intégrant incertitude et variabilité au fur et à mesure des avancées des connaissances scientifiques.

National audience; Analysis and modelling of the time-varying operation of wastewater treatment plants are based on a set of measurement data that may contain errors. For a proper description of the process operation, these data, acquired either to evaluate the installation’s performances or to operate the plant, should be validated especially before being incorporated into a model. In this paper, the data evaluation and reconciliation procedure developed by the IWA task group GMP « Good Modelling practice» has been applied to data of an urban wastewater treatment plant designed to treat the wastewater of about 230 000 population equivalents (PE). Data analysis allowed the identification and reconciliation of erroneous data by applying hydraulic and mass balance calculations. Reconciled data were used to describe the main parameters of the plant, such as the sludge production, the sludge retention time and the oxygen consumption.; L’analyse du fonctionnement des stations d’épuration, et a fortiori l’utilisation d’outils de modélisation dynamique de ce fonctionnement, s’appuient sur un ensemble de données issues de mesures pouvant être entachées d’erreurs. Ces données, acquises pour l’autosurveillance de l’installation ou pour son exploitation, doivent donc être validées de manière systématique afin de décrire au mieux le système de traitement et éventuellement de les utiliser en modélisation. Dans cet article, la procédure d’analyse et de consolidation des données développée par le groupe de travail « Good Modelling Practice » de l’IWA a été appliquée aux données de fonctionnement d’une station d’épuration dimensionnée pour traiter les eaux résiduaires urbaines de 230 000 EH. L’analyse de ces données a permis l’identification de certaines mesures erronées, concernant principalement les débits d’alimentation des réacteurs biologiques. Celles-ci ont été consolidées à partir de bilans hydrauliques et massiques réalisés à l’échelle de la station. Les données consolidées permettent de décrire précisément les principaux paramètres de fonctionnement de la station, tels que les charges reçues, la production de boues, l’âge de boues et la consommation d’oxygène.

International audience; Cette étude a pour objectif d’évaluer l’impact de différentes stratégies de régulation de l’aération sur les performances épuratoires, la consommation électrique et les émissions de protoxyde d’azote en boues activées. Pour cela, deux files de traitement biologique parallèles présentant deux stratégies de régulation de l’aération ont été comparées. La file 1 est munie d’une nouvelle stratégie de contrôle de l'aération (Ammonair) qui crée des conditions propices à la nitrification dénitrification simultanée tandis que la file 2 est équipée d’un système de régulation classique (O2/Redox) permettant de dissocier les phases de nitrification et de dénitrification. Bien que le facteur d’émission soit similaire pour les deux files de traitement (0,004% de la charge de l’azote en entrée), la dynamique d’émission du N2O varie selon la stratégie de contrôle de l’aération. Il a été observé que les forts débits d’air (cas de la file 2) favorisent le transfert de protoxyde d’azote de la phase gaz vers la phase liquide en début de chaque cycle d’aération. Pour des performances épuratoires similaires, la consommation électrique pour l’aération est en moyenne 30% plus importante dans la file 2 que dans la file 1. / This work investigated the impact of aeration control strategy on energy consumption and nitrous oxide emission in a full-scale wastewater treatment plant. Two identical activated sludge processes treating the same effluent but operated with different aeration control strategies were compared. Aeration tank 1 was operated with a new control strategy favouring the simultaneous nitrification denitrification whereas aeration tank 2 was operated with a conventional control strategy with distinct nitrification and denitrification phases. Results indicated that whereas the nitrous oxide emission factor was comparable in both systems (in the order of magnitude of 0.004% of the influent TKN load), nitrous oxide emission pattern was dependent on the adopted aeration control strategy. It has been observed that high aeration flow rates (aeration tank 2) were likely to promote nitrous oxide transfer from the gas phase to the liquid phase. With similar removal performances, energy consumption for aeration was estimated to be on average 30% greater in aeration tank 2 than in tank1.

National audience; Cette présentation décrit les marges de man½uvre et les postes à considérer afin de limiter la consommation énergétique des stations d'épuration liée aux apports en oxygène.

International audience

National audience; Cette présentation propose un état des lieux des performances énergétiques des systèmes d'aération équipant les stations d'épuration tout en mettant en évidence les sources d'optimisation de ces systèmes.

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]Co TED-SOWASTE et TED-EPURE; National audience; La réglementation française induite par la directive cadre européenne sur l’eau (DCE) impose actuellement un suivi des émissions d’une centaine de micropolluants pour les stations d’épuration (STEP) de plus de 10 000 équivalents habitants. Bien que non conçues pour cet objectif de traitement, les STEP éliminent une quantité non négligeable de micropolluants, notamment par sorption sur les matrices solides organiques (i.e. boues primaires ou secondaires), associée pour certains à une biotransformation. Si la réduction à la source limite les apports de substances chimiques dans les réseaux d’assainissement (p. ex. application de la directive REACH), cette seule action ne pourra apporter de solutions au cas des micropolluants issus du lessivage des sols (ex. HAP, pesticides) ou de substances à large consommation humaine (ex. détergents, produits pharmaceutiques et cosmétiques, plastifiants). L’optimisation des procédés de traitement existants et/ou la mise en place de traitements dédiés sont des solutions technologiques actuellement très étudiées pour limiter les concentrations en micropolluants dans les rejets de STEP. Pourtant, il est difficile de proposer des solutions économiquement pertinentes dans le domaine des STEP domestiques vis-à-vis des enjeux que soulève la DCE, considérant de surcroît les enjeux liés à la maîtrise des consommations énergétiques. Dans ce contexte, la modélisation dynamique apporte une aide précieuse, en s’appuyant sur une représentation numérique des différents processus [changement de phase liquide/solide (biosorption), liquide/gaz (volatilisation), réaction (oxydation, biotransformation)] et des phénomènes limitants associés. Très utilisée par les chercheurs et les ingénieurs dans le monde entier pour le traitement des paramètres classiques, la modélisation dynamique est un outil permettant d’explorer différentes stratégies de gestion des STEP (scénarii) et ainsi optimiser leur fonctionnement vis-à-vis des micropolluants. Les modèles de prédiction du devenir des micropolluants en STEP (ex. Simpletreat, Toxchem, Epiwin, …) utilisent les caractéristiques physico-chimiques des micropolluants pour prévoir la volatilisation, la sorption et la dégradation pour prédire, en régime stationnaire, la répartition de micropolluants entre les différents compartiments eau/air/boue. Mais ces outils n’ont pas atteint la maturité des modèles concernant l’azote par exemple, ce qui limite leur utilisation à des fins opérationnelles. Ainsi, plusieurs équipes de recherche françaises et internationales travaillent sur de nouveaux modèles, et leur intégration aux plateformes de simulations existantes. Les travaux portent sur une meilleure connaissance des comportements des micropolluants en STEP, et pour lesquels les capacités physicochimiques sont très variées (ex. biodégradabilité, solubilité, adsorption, …). Le groupe ASTEE modélisation a ainsi organisé début juillet une journée d’échanges pour recenser et discuter les différents concepts décrivant les processus d’élimination des micropolluants (schémas réactionnels) et les variables associées, et les moyens pour les décrire (p. ex. méthodologies d’échantillonnage, fréquence et durée de suivi, association à des mesures complémentaires en batch). La nécessité de faire appel à de nouveaux concepts (ex. cométabolisme pour établir le lien avec le traitement des polluants majeurs), et/ou la nécessité d’intégrer de nouvelles fractions décrivant le milieu réactionnel (ex. compartimentation, de la matière organique des boues, exopolymères) ont été discutées. La présentation orale de la conférence ASTEE, et l’article technique associé, sont réalisés par des experts du domaine de la modélisation, d’origines techniques et scientifiques variées (laboratoires de recherche, praticiens). Ils consistent en une synthèse des principaux acquis et des connaissances récentes concernant la modélisation du comportement des micropolluants en STEP. Les développements de modèle liés aux nouveaux concepts, et leur intégration dans la filière de traitement des eaux usées et des boues, sont illustrés avec quelques exemples choisis parmi plusieurs familles de micropolluants (métaux, hydrocarbures aromatiques, alkylphénols, pesticides, pharmaceutiques). La description temporelle de la composition des eaux usées, et la confrontation des résultats de simulation à des données de terrain, font également l’objet de discussions permettant de faire évoluer les modèles et la qualité des simulations. Les principales retombées pratiques de ce travail concernent l’optimisation (dimensionnement, exploitation) des traitements existants (filière eaux et boues) et l’aide au développement de traitements nouveaux (type tertiaire) en vue de disposer à terme d’un outil d’aide à la décision. La réflexion identifie plusieurs points de perspectives, en particulier l’impact de la qualité des données sur les résultats de simulation, la prise en compte des micropolluants en mélange, et la réflexion à l’échelle réseau d’assainissement - station d’épuration de manière à mettre en balance les solutions de traitement et de contrôle à la source.

L'impact des paramètres géométriques et opératoires sur le transfert de masse dans un réacteur à lit fluidisé semi-industriel (d'un volume maximal de 2,8 m3) a été étudié. Le coefficient volumique de transfert d'oxygène (kLa20) a été mesuré en eau claire sur un ensemble de 39 conditions opératoires. Les résultats obtenus mettent en évidence l'impact du taux de remplissage en biomedia sur les performances d'oxygénation. Une augmentation du kLa20 comprise entre +36 et +50% est observée lorsque le taux de remplissage augmente de 0 à 50%, pouvant être expliquée par une diminution du diamètre des bulles d'air et une augmentation du temps de contact gaz/liquide. Un modèle global, issu de l'analyse dimensionnelle, est proposé pour la détermination du nombre de transfert (NT) en fonction de nombres adimensionnels et dépend de la géométrie du réacteur, du débit d'air et du taux de remplissage en biomedia. / This study was conducted on a semi-industrial pilot of 2.8 m3 to specify the impact of geometrical and operating parameters on mass transfer in a moving-bed biofilm reactor. The volumetric oxygen transfer coefficient (kLa20) was measured in clean water for 39 case studies. The results highlight the impact of biomedia fill ratio on the oxygenation performances. An increase of kLa20 between +36 and +50% is measured for an increase in biomedia fill ratio from 0 to 50%. This increase could be explained by a reduction in bubble diameter or an increase in gas/ liquid contact time. A global model, issued from dimensional analysis, is proposed to estimate the transfer number (NT) as a function of dimensionless numbers and depends on the geometry of the reactor, the air flow rate and the biomedia fill ratio.

Nitrous oxide (N2O) is a potent greenhouse gas and a major sink for stratospheric ozone. Although anthropogenic activities, including agriculture, industry and energy are responsible for the majority of its emissions, N2O can also be emitted by wastewater treatment plants during nitrogen conversion. Microbial processes such as hydroxylamine oxidation, nitrifier denitrification and heterotrophic denitrification have been identified as a major source of N2O production. In situ, several parameters favoring N2O production were identified: low dissolved oxygen concentration, accumulation of nitrite, low ratio of COD to N-compounds, pH, temperature and rapidly changing operating conditions. For extensive processes additional factors influencing N2O production must be considered. The main ones are: seasonal variations, water saturation of substrate, hydrological conditions and plants species. N2O Emission data from literature show a huge variation in the fraction of nitrogen that is emitted as N2O for both intensive [0,001 – 4,0%] and extensive [0,006 – 1,83%] processes. Results dispersion is linked to the diversity of measurement protocols but also to the diversity of processes and their operating conditions. Moreover, high spatial and temporal variability of N2O emissions can be observed in all processes. In France, there is to date very few in situ measurements of N2O emission in both intensive and extensive processes.; Le protoxyde d’azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre destructeur de la couche d’ozone. Bien que les activités anthropiques, en liens avec l’agriculture, l’industrie ou l’énergie soient responsables de la majeure partie de ces émissions, il peut aussi être émis lors du traitement de l’eau, en particulier par les processus biologiques impliqués dans le traitement de l’azote. Les processus biologiques clés de production de N2O sont la nitrification autotrophe, la dénitrification autotrophe et la dénitrification hétérotrophe, les deux premiers processus pouvant se produire en conditions aérobies alors que le troisième se produit en conditions anoxies. Les émissions de N2O des différents processus sont soumises à de nombreux facteurs d’influence : conditions d’oxygénation, concentrations en nitrite, ratio C/N, pH, température, variations transitoires des conditions opératoires. Dans le cas de procédés de traitement extensifs, des paramètres d’influences supplémentaires sont à considérer. Les principaux sont les variations saisonnières, la saturation en eau du substrat, les conditions hydrologiques et les types de plantes. La littérature scientifique indique des facteurs d’émission très variables [0,001 – 4,0%] pour les procédés intensifs et [0,006 – 1,83%] (émission de N2O rapportées à la charge d’azote entrante). Cette forte variabilité s’explique d’une part par la variété des méthodes de mesures utilisées mais aussi par les types de procédés étudiés et la diversité des conditions opératoires. Aussi, de fortes variabilités spatiales ou temporelles peuvent être observées dans l’ensemble des procédés. En France, il n’existe à ce jour que très peu de mesure in situ des facteurs d’émission de N2O par les unités de traitement des eaux résiduaires urbaines, que ce soit sur les procédés extensifs ou intensifs.

National audience; Les dysfonctionnements biologiques dus au développement de bactéries filamenteuses posent de nombreux problèmes d’exploitation aux stations d'épuration du type boues activées. Le filament le plus souvent mis en cause dans ce type de dysfonctionnement en France est Microthrix parvicella. La solution curative la plus utilisée actuellement est la chloration, traitement efficace mais non spécifique, qui impacte également la biologie des boues activées. Une solution émergente consiste à utiliser des sels d'aluminium qui auraient une action spécifique sur M. parvicella et permettraient de préserver la microfaune et les bactéries nitrifiantes. L'objectif de cet article est d’étudier l’impact des sels métalliques, et en particulier des sels d’aluminium, sur le fonctionnement et la microbiologie des boues d’une installation à boues activées sujette à des dysfonctionnements biologiques récurrents. Les mesures réalisées ont montré une disparition des mousses en surface des bassins ainsi qu’une amélioration nette de l’indice de boues à la plus forte concentration testée (2,7 g Al3+ (kg MES)-1j- 1). D’après les résultats obtenus en microscopie et en biologie moléculaire, cette amélioration serait due à l’agglomération des flocs et à la diminution des bactéries filamenteuses libres du type M.parvicella dans le liquide interstitiel, couplée à un effet d’internalisation des filaments dans les flocs. La biodiversité des bactéries nitrosantes et les rendements épuratoires ne semblent pas affectés par le traitement.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet de modélisation du fonctionnement de la station de Nîmes Ouest visant à évaluer l’impact de la régulation de l’aération sur les performances épuratoires et sur les émissions de N2O en boues activées. La modélisation des procédés de traitement s’appuie sur un ensemble de données issues de mesures (capteur en ligne et/ou analyse en laboratoire) pouvant être entachées d’erreurs, plus ou moins importantes selon la nature du paramètre mesuré et la technologie de mesure utilisée. Ces données doivent être validées avant d’être intégrées au modèle, et ce, afin qu’il puisse décrire au mieux le système de traitement. En effet, c’est sur ces données que repose l’étape de calage des paramètres du modèle. Par conséquent, l’utilisation de données erronées peut se traduire par l’obtention de valeurs de paramètres non adaptées et donc une réponse du modèle qui ne reflète pas la réalité. Dans ce contexte, Irstea a procédé à l’analyse et à la consolidation des données nécessaires à la modélisation du fonctionnement de l’étage biologique de la station de Nîmes Ouest. Une attention particulière a été apportée à la validation des données des charges polluantes en entrée de la station et des étages biologiques ainsi qu’aux données d’extraction des boues. L’analyse/consolidation des données a été réalisée selon le protocole proposé par le groupe de travail « Good Modelling Practice – GMP » (Reiger, Takacs et al. 2012); celui-ci est brièvement décrit dans la section suivante.

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; National audience

National audience

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; National audience; L'optimisation des systèmes d'aération des ouvrages de traitement des eaux requière l'étude des écoulements et du transfert de matière qui peut être réalisée à l'aide de la mécanique des fluides numérique et de la modélisation filaire. Le développement de ces outils nécessite cependant une connaissance précise de l'impact des divers obstacles présents dans les bassins d'aération sur les écoulements. Dans ce but, un cas-test, utilisant les outils de la mécanique des fluides numérique et d'un faible coût en temps de calcul, est proposé et appliqué à un tronçon de chenal d'aération réel. L'étude de 18 scenarii a été réalisée à l'aide de cet outil. L'influence de la représentation des obstacles et les coefficients de pertes de charges singulières générés par ceux-ci ont ainsi pu être déterminés. / Optimisation of aeration systems in wastewater treatment requires to study flows and mass transfer that can be investigated using computational fluid dynamics and 1D modelling. Impact of geometric obstacles in aeration tanks on flows must be precisely known to develop such tools. To this aim, a test case was proposed based on computational fluid dynamics and with restricted computational time. The study of 18 scenarios has been performed on a section of a real aeration tank. The influence of obstacles on flows and associated singular pressure drop coefficients were determined.

This document report the LCA (Life Cycle Assessment) of the entire sewerage system. This action required a close collaboration between Cemagref specialists in environmental assessment and experts in sanitation. It compiles five technical internal reports presenting the current state of knowledge at the time of their redaction., Le présent rapport d’étape concerne l’analyse environnementale de cycle de vie (ACV) du système assainissement. Cette action a nécessité une collaboration étroite entre les spécialistes de l’évaluation environnementale et les experts des systèmes d’assainissement du Cemagref. Il reprend cinq rapports techniques internes qui présentent l’état d’avancement des travaux au moment où ils ont été écrits pendant cette action.

National audience; La modélisation mathématique du fonctionnement des stations d’épuration à boues activées est très utilisée pour des fins de recherche, de dimensionnement d’ouvrages, d’optimisation, de formation... Une analyse récente des pratiques en matière de modélisation des boues activées a montré que la qualité des projets dépendait largement des objectifs fixés, du budget et de l’expertise disponible. Afin de lever les principaux obstacles limitant l’utilisation, par les praticiens, des outils de modélisation dynamique du traitement des eaux résiduaires, et pour améliorer la qualité des simulations, un partenariat international a été mis en place (Task Group de l’International Water Association (IWA) "Good Modelling Practice" – GMP - https://iwa-gmp-tg.cemagref.fr/). Ce groupe, auquel le Cemagref participe, a notamment développé un guide pour l’utilisation des modèles de boues activées en pratique. Celui-ci fera l’objet d’une publication sous forme d’un document scientifique et technique de l'IWA.

National audience; L'aération constitue généralement le poste énergétique le plus lourd des stations d'épuration à boues activées [et des autres filières intensives d'épuration des eaux usées]. Les systèmes d'aération sont différenciés en (i) aérateurs de surface, (ii) systèmes d'insufflation d'air et (iii) systèmes à base de pompes (turbines immergées). Les capacités d'oxygénation des systèmes d'aération sont vérifiées et garanties en eau claire (NF EN 12255-15, 2004). Elles peuvent également être déterminées en présence de biomasse (bilan gazeux, désorption). L'exposé est centré sur la mesure et l'optimisation des consommations énergétiques des systèmes d'insufflation d'air en fines bulles et sur la prévision, au stade du projet, des performances d'oxygénation de ces dispositifs (apports respectifs de l'analyse dimensionnelle, de la mécanique des fluides numérique). Les corrections à appliquer en présence de biomasse sont explicitées en fonction de différents critères (charge massique, concentration des boues, vieillissement des diffuseurs). Les domaines d'application, les performances d'oxygénation des aérateurs de surface et des turbines immergées et leurs critères d'optimisation sont également abordés. Enfin, l'optimisation de la fourniture d'oxygène en lien avec les capteurs associés (sonde à oxygène, électrode Redox, Poids de boues, capteurs nitrates et ammoniaque) et avec la modélisation dynamique du fonctionnement des installations est discutée.

National audience; Les procédés biologiques sont largement utilisés pour le traitement des déchets liquides et solides contenant une fraction importante de matières biodégradables. Pour les optimiser, ils sont souvent étudiés à partir des outils de modélisation, dont l'utilisation implique de compartimenter la matière organique en plusieurs fractions plus ou moins rapidement dégradables par les bactéries. Ce fractionnement nécessite l'utilisation de méthodes expérimentales spécifiques, encore aujourd'hui mal décrites et dont les différences ne sont pas toujours bien identifiées. L'application systématique d'un protocole de fractionnement de la matière organique en classes de biodégradabilité est pourtant indispensable pour simuler les processus et optimiser les bioprocédés. Cet article présente les concepts et méthodologies de fractionnement de lamatière organique existants et propose un retour d'expérience ainsi que des éléments de choix des méthodes pour l'utilisation par l'ingénieur.

La quantification des bactéries nitrosantes des boues activées peut être effectuée par marquage fluorescent in-situ (FISH) couplé à une analyse d'images. Les sondes Nmo218, Nso190 doivent être utilisées simultanément pour cibler l'ensemble des bactéries nitrosantes. Les images des échantillons hybridés sont acquises au microscope laser confocal et segmentées à l'aide du logiciel DAIME. Le seuil de coupure est le niveau d'intensité minimal à partir duquel on considère qu'un pixel appartient à la biomasse marquée. La biomasse totale, marquée par la sonde EUB est segmentée avec un seuil de coupure très faible (10 sur 250 unités). Un intervalle de seuils de coupures possibles est déterminé pour les deux sondes spécifiques. La mesure est réalisée avec deux seuils pris dans cet intervalle et le résultat est la moyenne des deux mesures. La répartition spatiale des bactéries ciblées est très hétérogène et 25 images sont nécessaires pour une mesure correcte. L'application de cette méthode pour le suivi d'un réacteur montre une bonne corrélation entre la population nitrosante estimée et l'activité nitrifiante mesurée.

Les modèles déterministes type ASM (activated sludge model) développés depuis 20 ans sont largement utilisés pour améliorer la dépollution de l'azote et du phosphore par voies biologiques. Ils s'appuient sur une compartimentation de la matière organique en 4 catégories, permettant de distinguer deux cinétiques bactériennes (rapidement et lentement biodégradable) en plus d'associer son devenir au temps de séjour (hydraulique ou solide). Pour déterminer ces fractions, des tests biologiques en réacteurs ont été développés depuis plusieurs années. Ils consistent à maintenir des conditions oxydantes (aérobie, anoxie) et à mesurer régulièrement : (i) la DCO ou le COT dans un réacteur aéré sur les phases dissoute et particulaire ; (ii) la consommation en oxygène instantanée (respirométrie), ou cumulée (DBO ultime). Des techniques de séparation de phase sont également utilisées comme la filtration (0.45 ou 0.10 μm), avec ou sans coagulation/floculation préalable (ex. FeCl3). Le choix du test de fractionnent et sa mise en oeuvre ont une influence sur les résultats des simulations qui sont effectuées. Il n'est pas rare de voir une utilisation inappropriée, menant à un calage inadéquat des paramètres, à des prévisions erronées de performances, voire des erreurs de dimensionnement. De plus, l'incomplète connaissance de l'influence des conditions opératoires conduit à des erreurs de compartimentation. Enfin, les techniques de caractérisation biochimiques sont rarement comparées aux techniques conventionnelles. Aujourd'hui, l'enjeu principal est d'assainir la pratique d'utilisation des techniques de fractionnement en amont de l'utilisation des modèles de procédés. Des enseignements ont été dégagés de l'ensemble des travaux menés par le Cemagref, pour lesquels les différentes méthodes ont été appliquées de manière systématique (inter-comparaison). On observe : * une fraction biodégradable d'une eau usée plus importante lorsque déterminée à l'aide de la méthode du réacteur aéré (45 jours) ; les méthodes de respirométrie et de DBO ultime donnant des résultats équivalents. Pour les effluents contenant des molécules du types acides humiques (lixiviat, compost) la respirométrie sous estime la part biodégradable en raison du faible temps d'expérimentation (2 jours). * les conditions opératoires ont été précisées pour la respirométrie : L'influence de l'agitation est d'autant plus importante que le milieu de mesure est concentré (cas des lisiers). Le choix de la boue biologique d'origine urbaine utilisée (inoculum) a peu d'influence sur les résultats de fractionnement finaux. Enfin, concernant les conditions d'oxydoréduction, la matière organique dégradée en anoxie semble plus faible que celle dégradée en aérobie. * les techniques de détermination de la DCO soluble ont été examinées. Une étape de coagulation/floculation au FeCl3 préalable à l'étape de filtration à 0.45 μm permet de piéger les petites molécules coagulables (sucres, acide aminés, protéines) permettant de réduire la DCO filtrée de 20 %. La filtration simple à 0.1 μm n'arrête pas ces petites molécules. * des techniques d'identification biochimiques (aromaticité, poids moléculaire, polydispersivité, hydrophobie) ont été mises en oeuvre. Leur apport concerne exclusivement le compartiment dissous (après filtration à 0.45 μm). La disparition d'un composé de la phase soluble pouvant être expliquée par le transfert vers la phase solide, ces analyses ne permettent pas de quantifier stricto-sensu l'abattement de la matière organique au sein des procédés. L'identification des composés n'est pas quantitative, avec de surcroît 40 à 60% des composés non identifiés.

[Departement_IRSTEA]MA [TR1_IRSTEA]TED / EPURE; Le travail présente les développements successifs de la simulation eulérienne des bassins d'aération et des techniques de mesures expérimentales qui ont été développées pour caractériser les écoulements et le transfert d'oxygène dans ces bassins. La validation de la simulation est faite par comparaison des résultats numériques aux résultats expérimentaux et réalisée en eau claire sur un bassin pilote et un bassin industriel équipés d'agitateurs axiaux et de diffuseurs d'air en fines bulles. La qualité de la simulation est conditionnée par le choix des modèles numériques qui doivent être adaptés à la physique des bassins industriels : représentation de l'agitateur, bulles ellipsoïdales, dispersion du nuage de bulles et recirculations induites, effet de la pression sur le transfert d'oxygène et appauvrissement en oxygène des bulles. Les résultats de la simulation sont alors en accord avec les résultats expérimentaux pour les vitesses horizontales de circulation de l'eau et les vitesses d'oxygénation, ces deux paramètres étant les critères clefs du bon fonctionnement du bassin d'aération.