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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

International audience; Biological active filters (BAFs) are widely developed for nitrogen removal in Europe especially in large cities. Recent studies have shown that nitrifying BAF can be N2O hotspots. Indeed, measuring campaigns performed at the Seine Aval WRRF (Paris, 5.5 million PE) reported high N2O emission (from 2% to 4% NH4-Nremoved) which contributed up to 80% of the carbon footprint of the biological nitrogen removal stage of the WRRF (Filali et al. 2017). Experimental and modelling studies on full-scale biofilm reactors are still rare (Ni & Yuan 2015). A comprehensive full-scale BAF model describing N2O production was recently developed and calibrated by Fiat et al. (2019). Multiple metabolic pathways for N2O production were considered with appropriate description of concentration gradients and mass transfer mechanisms in gas, liquid and biofilm phases.The purpose of this work is to scrutinise the key mechanisms underlying N2O production and to evaluate different control strategies for nitrifying BAFs. The calibrated model was used to investigate the production rate over a two-year period and to identify major influencing factors triggering N2O production. Then, it was used to evaluate different control strategies for N2O emissions reduction.

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.

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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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International audience; A 1D-Model is developed to illustrate the sensitivity of simulations to processes and models proposed in literature to represent bubble size evolution and pressure effects on mass transfer. The proposed model can mimic experimental data of global gas hold-up and mass transfer coefficient in an experimental bubble column with a clear water/air system.

International audience; A 1D-Model is developed to illustrate the sensitivity of simulations to processes and models proposed in literature to represent bubble size evolution and pressure effects on mass transfer. The proposed model can mimic experimental data of global gas hold-up and mass transfer coefficient in an experimental bubble column with a clear water/air system.

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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; A fuzzy inference method was used to model the fouling evolution of a full-scale Membrane Bioreactor (MBR) treating rejection water from the sludge treatment of a water resource recovery facility (WRRF), using a dataset of 1.5 years. The six generated fuzzy rules replicate the fouling evolution with a promising correlation coefficient of 0.7.

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.

International audience; Gas emissions of Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCW) treating raw wastewater have been poorly investigated. One of the main issue measuring gas emissions on such systems is related to their high heterogeneity of flow conditions (surface water distribution, feeding/resting periods etc). It is thus of importance to develop a specific methodology to be able first to determine representative gas emission fluxes and then to decide how filter‘s operation can affect these emissions. This study investigates greenhouse gas emissions from a full-scale VFCW for raw wastewater treatment. The plant designed for 800 population equivalents combines two stages of vertical subsurface flow filters planted with Phragmites. Australis. Gaseous emissions were continuously monitored during three weeks representing an overall feeding/resting period (1/3 weeks). Several automatic closed chambers connected to an infrared analyzer were placed at different strategic positions of the filters and allowed the measurement of tens of gaseous fluxes per day and per position. Dissolved N2O concentration was measured in the inlet and the outlet of each filtration stage using N2O micro-sensors. A combination of on-line sensors for NH4+ and NO3- and 24-h composite samples was used to characterize the process performances of each filtration stage. Finally, O2concentration was regularly measured in the air phase of the porous media in order to evaluate the aerobic conditions of the filters. Ammonium removal was on average of 94% during the monitoring period. The continuous measurement highlighted strong spatial and temporal variability of gaseous fluxes. This latter was observed at different time scales (day, week, feeding/resting cycle) and was linked to: (i) the intermittent feeding of the filters, (ii) oxygen content in the porous media and (iii) environmental conditions such as the ambient temperature. Dissolved N2O flux represented about 20% of the total flux (gas + liquid) which indicates the importance of accounting the dissolved flux in the N2O budget. The two filtration stages exhausted contrasted fluxes of methane and nitrous oxide in relation to carbon load and oxygen availability for carbon removal and nitrification. From a methodological point of view, this study indicates that: (i) continuous monitoring of greenhouse gas fluxes during at least an overall filtration cycle and (ii) appropriate spatial sampling strategy are decisive for a reliable determination of emission factors in VFCWs. The overall N2O emission factor estimated during the monitoring period was of 0.78% of the influent total nitrogen which is 28 times higher than the default IPCC factor (0.023% of the TN load). As N2O emissions were strongly correlated to the oxygen concentration within the porous media, it is suspected that nitrification was the main contributor to N2O production in the VFCW studied.

International audience; In this study, nitrous oxide (N2O) emissions from a full-scale denitrifying biofilter plant were continuously monitored over two periods (summer campaign in September 2014 and winter campaign in February 2015). Results of the summer campaign showed that the major part (N99%) of N2O flux was found in the liquid phase and was discharged with the effluent. N2O emissions were highly variable and represented in average 1.28 ± 1.99% and 0.22 ± 0.31% of the nitrate uptake rate during summer and winter campaigns, respectively. Denitrification was able to consume a large amount of dissolved N2O coming from the upstream nitrification stage. In the absence of methanol injection failure and with an influent BOD/NO3-N ratio higher than 3, average reduction of N2O was estimated to be of 93%. The control of exogenous carbon dosage is essential to minimize N2O production from denitrifying biofilters, in correlation to NO2-N concentrations in the filter.

National audience

International audience; In activated sludge systems, aeration provides the oxygen that is required by the aerobic micro-organisms; ensures mixing and homogenization of the liquor; and facilitates stripping the gaseous by-products of the degradation processes. On the other hand, aeration is generally the single largest contributor to energy consumption in wastewater facilities. With the increasing need for containing operating costs, new aeration control strategies have recently been proposed. Solutions based on the continuous monitoring of nitrogen forms (NH4+, NO3-) for instance ensure a sufficient air supply to treat the nitrogen load while maintaining relatively low dissolved oxygen concentrations in the basin which in turns translates into lower energy consumption. Whether such strategies have an impact on nitrous oxide (N2O) emissions is yet to be ascertained. Nitrous oxide is a key greenhouse gas, about 300 times more effective than carbon dioxide, and a major sink for stratospheric ozone (IPCC, 2007). The wastewater treatment plant of Nîmes (230 000 PE) located in France consists of two parallel activated sludge lines operated with different aeration strategies. Ammonair, an aeration control logic based on ammonia and DO concentration, was implemented to reduce energy consumption of one treatment line. This work combines field measurements and mathematical modelling and is aimed at investigating the impact of the Ammonair control system on nutrient removal and energy consumption. The model developed was also used to assess the potential for GHGs emissions in relation to the specific aeration regime.

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.