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National audience

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.

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.

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.

International audience; Présentation d'une étude de cas de réduction des consommations énergétiques liées à l'aération des boues activées.

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.

International audience; Wastewater Treatment Process Modeling, Second Edition provides expert guidance to ensure that process models are developed, used, and documented correctly. This authoritative guide helps process engineers understand general modeling concepts and terminology and offers practical details on how to use process models for the design of small, medium, and large water resource recovery facilities. The manual describes each step of the modeling process, from the fundamental math required and overviews of existing models and when to use them, to modeling protocols and how to interpret data. • Presents an overview of existing models • Discusses various modeling tools, including common simulators • Reviews the math fundamentals required for modeling • Covers modeling and simulation fundamentals, including mass-balance models and linking unit processes • Describes numerous models in various process units, including suspended- and attached-growth, anaerobic digestion, and water chemistry.

International audience; Increasingly stringent effluent limits and an expanding scope of model system boundaries beyond activated sludge has led to new modelling objectives and consequently to new and often more detailed modelling concepts. Nearly three decades after the publication of ASM1, the authors believe it is time to re-evaluate wastewater characterization procedures and targets. The present position paper gives a brief overview of state-of-the-art methods and discusses newly developed measurement techniques on a conceptual level. Potential future paths are presented including on-line instrumentation, promising measuring techniques, and mathematical solutions to fractionation problems. This is accompanied by a discussion on standardization needs to increase modelling efficiency in our industry.

The IWA Task Group on Good Modelling Practice (GMP) has analysed current practice and experience on the use of activated sludge models. The group developed a framework to make modelling more straightforward and that helps structuring the interaction between modellers and the project stakeholders. The GMP protocol is a synthesis of existing procedures, and contains five major steps: (i) Project definition, (ii) Data collection and reconciliation, (iii) Plant model set-up, (iv) Calibration and validation, and (v) Simulation and result interpretation.

National audience

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.

International audience; The first objective of this work was to evaluate the ability of the long-term BOD tests to provide the total biodegradable COD (BCOD) for domestic wastewaters. Results show that the method is repeatable (using two different volume samples, 97 and 164 mL) and that the fractions of BCOD determined were not statistically different from the one obtained by respirometry (at low S/X ratio). Respirometric tests were also repeatable. They were shown to be sensitive to the origin of the sludge. The results obtained are in the range of literature data. But they later indicated that long-term bioassays (.20 days) give higher biodegradable fractions than the other methods (BOD and respirometry). The second objective was to compare soluble fractions obtained with raw and pre-flocculated samples. Flocculated filtered COD is significantly lower than filtered COD, even if a pore size of 0.1 mm is used. The comparison to literature values shows that physicochemical RBCOD fractions are significantly higher than the ones obtained using bioassays. Comparison with the fractions used in calibrated models would help the choice of the more suitable method for modelling purposes.

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.

International audience; Editorial

International audience; Oxygen transfer in biological systems with high sludge concentration such as MBR is an important issue. The variation of α-factor vs. MLSS concentration was investigated in a full scale MBR plant under process conditions, using mass balances. Exhaustive data from SCADA and additional sensors (COD, DO, MLSS) were used to calculate the daily oxygen consumption (OC) using a non-steady state mass balance for COD and total N on a 24-h basis. To close the oxygen balance, OC has to match the total oxygen transfer rate (OTR(tot)) of the system, which is provided by fine bubble diffusers (FB) in the aeration tank and coarse bubbles (CB) in separate membrane tanks. Assessing first OTR(CB), then closing the balance OC-OTR(tot) when MLSS was stable allowed to calculate OTR(FB) and fit an exponential relationship between OTR(FB) and MLSS in the aeration tank. A comparison of an average value of the α-factor obtained by this balance method and by measurements with the offgas method on the same plant is presented and discussed.

International audience; To restore wastewater treatment plant (WWTP) performances after loosing nitrifying activity, commercial solutions of nitrifying bacteria, called Nitrifying Bio-augmentation Products (NBP), can be added in low loaded (i.e. nitrifying) activated sludge plants. Autochthon ammonia oxidizing bacteria (AOB) populations were compared to a specific NBP through 16S rDNA sequences discrimination using DGGE and SSCP techniques. Seasonal stability of WWTP AOB communities was also investigated.

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.

MBRs necessitate two sources of aeration: one for scouring the membranes (coarse bubble, CB) and the other for the biomass requirements (usually fine bubble, FB). In the framework of a in-depth study of a full scale municipal MBR plant (10 000 p.e.) where CB and FB are in the same tank (Biosep), mass balances were used to determine the OTR of the different combinations of CB+FB at different air flows. A two year monitoring was performed with on-line COD influent measurements and a SCADA system provides an overall information on the plant operation. The different OTRs configurations were calculated before and after the modification of the number of diffusers. Results are close to those obtained with the conventional methods used in the presence of sludge and the calculations do not require any reagent or specific conditions. This methodology allows the prediction of the maximum treatment capacity especially for total nitrogen. Moreover, the calculated OTRs could help the operators to monitor the oxygen transfer performance and assess the fouling status of the diffusers.

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.

The European Directive 91/271/EEC related to domestic wastewater treatment, and the new requirements of the European Water Framework Directive (WFD 2000/60/CE) have induced numbers of new-built and upgraded wastewater treatment plants (WWTPs). As they are mainly dedicated to nitrogen removal, even in non-sensible areas, these WWTPs often include activated sludge installations, equipped with simple on-line sensors (redox potential, dissolved oxygen, height of sludge blanket, turbidity). This article presents the results of a national survey carried out by Cemagref in 2004. The installation of on-line sensors and their use were analysed from 78 very low-loaded activated sludge WWTPs with a capacity under 20000 PE (most frequent configuration in France). For a PE over 4000 , simple on-line sensors (redox and/or oxygen in the aeration tank) are almost systematically installed. When phosphorus removal is required, on-line sensors are also installed in clarifiers (sludge blanket height or turbidity). More than 50% of the WWTPs of the inquiry are equipped with both redox and oxygen sensors in the aeration tank. The weekly time dedicated to on-line sensor maintenance (in the range of 1 to 2h/week) is directly linked to the plant capacity. The frequencies of maintenance are very different from one plant to another. The average frequencies are: 1 time per week for cleaning, 1 time per month for calibration, 1 time per year for replacement (oxygen or redox)., La directive européenne 91/271/EEC relative au traitement des eaux usées urbaines, et les nouvelles exigences liées à la Directive Cadre Européenne sur l'Eau (DCE 2000/60/CE) se traduisent par de nombreux projets de construction et réhabilitation d'installations type boues activées. Très souvent dédiées à un traitement poussé de l'azote voire du phosphore, y compris hors zones sensibles, ces installations sont souvent équipées de capteurs de mesure (potentiel rédox, oxygène dissous, voile de boue, turbidité). Cet article présente les résultats d'une enquête nationale menée par le Cemagref en 2004 auprès des exploitants de 78 installations à boues activées en très faible charge de moins de 20000 EH (installations les plus nombreuses en France) dans le but d'inventorier ces capteurs et leurs applications. Pour les installations de plus de 4000 EH, il est mis en évidence la mise en place quasi-systématique de capteurs rédox et/ou oxygène dans les bassins d'aération. Ils sont installés simultanément sur la moitié des installations instrumentées de l'échantillon. L'exigence d'abattement du phosphore favorise fortement l'installation de capteurs sur les clarificateurs (voile de boue et turbidité). La durée hebdomadaire consacrée à la maintenance des capteurs (1 à 2h) est d'autant plus longue que la capacité nominale de traitement est importante. Les fréquences de maintenance, très différentes d'une installation à l'autre, sont en moyenne d'une fois par semaine (nettoyage), une fois par mois (étalonnage), une fois par an (remplacement oxygène et rédox).

Determination of the organic matter biodegradability using physico-chemical and biological fractionation.

Since airing amounts to more than half the energy bill of activated sludge waste water treatment plants, this process needs to be optimized. This article gives a summary of the data and experiences linked to the installation and utilization of air injection systems in which fines bubbles are injected through EPDM membranes, which is the most widely used system today. This summary focuses on the optimization parameters for the sizing and operation of these devices, thus providing a high performance/cost ratio principle.In addition to the conventional criteria - such as the location of the diffusers relative to the agitators - the surface air flow rate (air flow rate in relation to the total surface of the diffuser modules) appears as a key parameter for the airing performance. It must not exceed 10 Nm3.h-1.m-2 in cylindrical ponds and 15 to 25 Nm3.h-1.m-2 in oblique airing . Finally, the analysis of the impact of significant immersion heights (>6 m) and of the clogging phenomena on the airing performance remains to be explored in more details., L'aération représente plus de la moitié de la dépense énergétique des stations d'épuration à boues activées. Il est donc primordial de l'optimiser. Cet article présente la synthèse des données et des expériences relatives à l'installation et à l'utilisation des systèmes à insufflation d'air en fines bulles au travers de membranes EPDM, systèmes d'aération les plus fréquemment installés actuellement. Cette synthèse a mis en évidence les paramètres d'optimisation du dimensionnement et du fonctionnement de ces dispositifs, permettant de garantir les meilleures performances au moindre coût. En plus des critères conventionnels tels que l'emplacement relatif des diffuseurs par rapport aux agitateurs, le débit d'air surfacique (débit d'air ramené à la surface totale des modules de diffuseurs) apparaît comme un paramètre clé des performances d'aération : il ne doit pas dépasser 10 Nm3.h-1.m-2 en bassin cylindrique et 15 à 25 Nm3.h-1.m-2 en aération oblique. Enfin, l'analyse de l'impact des fortes hauteurs d'immersion (> 6m) et des phénomènes de colmatage sur les performances d'aération reste à approfondir.

The present study aims at determining most likely values for the maximum growth rate (µA, max) and the endogenous decay rate (bA) of nitrifiers at low temperature (10°C) for activated sludge processes treating municipal wastewater. The work used nitrification rate data measured on ten full-scale plants and two pilot plants fed with domestic sewage. This set of data was combined with modeling and theoretical approaches. The unified values (µA, max = 0.45 d-1 and bA = 0.13 d-1) were obtained for the kinetic parameters at 10°C for the autotrophic biomass. In addition, the factors affecting the maximum nitrification rate (rv, nit) were pointed out by a theoretical approach and confirmed by experimental results. For a given SRT, a linear relationship with the nitrogen volumetric loading rate was shown. The COD/TKN ratio of the influent strongly affects the value of rv, nit. Finally, an operational tool for prediction of the nitrification rate in the design procedure of activated sludge processes was developed on the basis of the daily nitrogen loading rate., Le travail mené a eu pour but de déterminer à faible température (10°C) la valeur du taux de croissance maximum et du taux de décès des bactéries nitrifiantes autotrophes des systèmes boues activées. Cette étude s`appuie sur des mesures de vitesses de nitrification réalisées depuis quinze ans sur 10 installations « vraie grandeur », et sur installations « pilote » traitant un effluent domestique. Une approche par modélisation dynamique et par une analyse théorique ont permis d`exploiter cette base de données. Les valeurs uniques (µA, max = 0.45 jour-1 et bA = 0.13 jour-1) ont pu être dégagées à 10°C. Par ailleurs, les facteurs de forçage de la vitesse de nitrification, mis en évidence par l`approche théorique, ont été confirmés par l`ensemble des valeurs expérimentales. Pour un âge de boue donné, la vitesse de nitrification dépend linéairement de la charge volumique en azote. Le « ratio C/N de l`eau usée» joue une influence toute particulière sur la valeur de la vitesse maximum qui s`établit. Finalement, sur la base de la charge volumique en azote, un abaque prédictif de la vitesse de nitrification en boues activées a été développé. Cet outil constitue une aide opérationnelle lors du dimensionnement d`une installation.

National audience; Cette étude expérimentale a pour objectif de déterminer l'influence des principaux paramètres de conception et de fonctionnement sur le transfert d'oxygène en biofiltres. Des mesures de capacités d'oxygénation ont été effectuées sur pilote en eau claire pour des vitesses superficielles de gaz allant de 2 à 20 Nm3.m-2.h-1 et des vitesses superficielles de liquide comprises entre 0 et 9 m.h-1. La méthode de mesure employée, l'oxydation d'un excès de sulfite, consiste à injecter dans le biofiltre une solution concentrée de sulfite de sodium (4 g.L-1) et à effectuer un bilan sur l'oxygène en phase gazeuse. Le coefficient volumétrique de transfert de masse kLa20 ainsi mesuré est une fonction croissante de la vitesse du gaz et est pratiquement indépendant de la vitesse de liquide. Les impacts de la hauteur d'eau, de la hauteur du matériau, du type de diffuseur et de la nature du matériau sur la capacité d'oxygénation sont présentés. La quantité d'oxygène transférée dépend essentiellement de la nature du matériau employé.

Optimising aeration is required to reduce the energy costs of activated sludge wastewater treatment plants, as aeration can represent more than half the energy demand of such a plant. This article presents the synthesis of data and experiences related to the design and the operation of fine bubble aeration systems, equipped with EPDM membranes. These devices are the most installed ones at the moment in France. This synthesis highlights the key parameters to optimise design and operation of aeration systems, in order to guaranty the best treatment efficiencies at the least cost. In addition to conventional criteria such as diffuser placement, the surface air flow rate (air flow rate divided by the total area covered by the diffuser grids) was shown to be a key parameter governing aeration performances: its value should not exceed 10 Nm3.h-1.m-2 in cylindrical tanks and 15 to 25 Nm3.h-1.m-2 in horizontal flow systems. The impact of high diffuser submergence (> 6m) and of fooling phenomenon on aeration capacities should be further investigated.; L`aération représente plus de la moitié de la dépense énergétique des stations d`épuration à boues activées. Il est donc primordial de l`optimiser. Cet article présente la synthèse des données et des expériences relatives à l`installation et à l`utilisation des systèmes à insufflation d`air en fines bulles au travers de membranes EPDM, systèmes d`aération les plus fréquemment installés actuellement. Cette synthèse a mis en évidence les paramètres d`optimisation du dimensionnement et du fonctionnement de ces dispositifs, permettant de garantir les meilleures performances au moindre coût. En plus des critères conventionnels tels que l`emplacement relatif des diffuseurs par rapport aux agitateurs, le débit d`air surfacique (débit d`air ramené à la surface totale des modules de diffuseurs) apparaît comme un paramètre clé des performances d`aération : il ne doit pas dépasser 10 Nm3.h-1.m-2 en bassin cylindrique et 15 à 25 Nm3.h-1.m-2 en aération oblique. Enfin, l`analyse de l`impact des fortes hauteurs d`immersion (> 6m) et des phénomènes de colmatage sur les performances d`aération reste à approfondir.

This chapter concerns the oxygen transfer provided by aerators in biological processes. First of all, the criteria that characterise oxygen transfer efficiency in biological treatment processes are presented: (i) in clean water in standard conditions and (ii) under process conditions. Principal methods utilised to measure oxygen transfer are then presented and illustrated. Finally, the main aeration systems installed in activated sludge processes are described, their performances are commentated and analysed. Optimisation parameters of these performances are specified and their prediction is examined. Injection of pure oxygen and oxygen transfer in biofilters are tackled at the end of the chapter., Ce chapitre est consacré au transfert de l`oxygène dans les procédés biologiques par l`intermédiaire d`aérateurs. Tout d`abord sont définis les critères pris en compte pour exprimer l`efficacité du transfert d`oxygène dans les procédés d`épuration biologique en eau claire dans les conditions standard d`une part, et en boues d`autre part, lorsque les installations sont en service. Les principales méthodes de mesures du transfert d`oxygène sont ensuite présentées et illustrées. Enfin, les principaux systèmes d`aération des boues activées (aérateurs de surface et systèmes d`insufflation d`air) sont décrits, leurs performances commentées et analysées. Les paramètres d`optimisation des performances sont précisés et la prévision des performances d`oxygénation est examinée. L`injection d`oxygène pur et le transfert d`oxygène en biofiltration sont abordés en fin de chapitre.

Offgas tests were conducted at Milly la Forêt wastewater treatment plant, a low loaded oxidation ditch equipped with fine bubble diffusers and two banana blade mixers. These experiments showed a heterogeneity in Standard Transfer Efficiencies along the tank. This can be related to differences observed on air flow rate per grid of diffusers. From a practical point of view, this implies that the offgas sampling pattern may include Oxygen Transfer Efficiency measurements on each grid of diffusers. Moreover, improvement in oxygen transfer due to horizontal liquid velocity was observed. The degree of Oxygen Transfer Efficiency improvement was approximatively 20% for a velocity of 0.4 m/s, which is less compared to the observed 40% enhancement in clean water under the same aeration and mixing conditions. Presence of surface active agents may explain this difference. Finally, estimated alpha values are in the range of 0.60 to 0.64 with the mixers on and 0.75 to 0.78 with mixers off., La méthode des bilans gazeux a été appliquée à la station d'épuration de Milly la Forêt, qui fonctionne en aération prolongée, et dont le chenal d'aération est équipé de diffuseurs fines bulles et d'agitateurs lents à grandes pales. Les mesures réalisées ont montré une hétérogénéité du rendement d'oxygénation standard le long du chenal, qui peut être reliée aux différences de débit d'air insufflé par module de diffuseurs. D'un point de vue pratique, cette hétérogénéité impose d'effectuer des mesures de rendements d'oxygénation sur chaque module de diffuseurs. Par ailleurs, la mise en rotation des boues induit un accroissement du transfert d'oxygène. Dans les mêmes conditions d'aération et de brassage, le gain, en terme de rendement d'oxygénation, est moindre en boues (20%) qu'en eau claire (40%), pour une vitesse horizontale de l'ordre de 0,4 m/s. La présence d'agents de surface pourrait être à l'origine de cette différence. Finalement, la valeur du facteur alpha est comprise entre 0.60 et 0.64 en présence d'une vitesse horizontale des boues et entre 0.75 et 0.78 sans agitation.

Offgas tests were conducted at Milly la Forêt wastewater treatment plant, a low loaded oxidation ditch equipped with fine bubble diffusers and two banana blade mixers. These experiments showed a heterogeneity in Standard Transfer Efficiencies along the tank. This can be related to differences observed on air flow rate per grid of diffusers. From a practical point of view, this implies that the offgas sampling pattern may include Oxygen Transfer Efficiency measurements on each grid of diffusers. Moreover, improvement in oxygen transfer due to horizontal liquid velocity was observed. The degree of Oxygen Transfer Efficiency improvement was approximatively 20% for a velocity of 0.4 m/s, which is less compared to the observed 40% enhancement in clean water under the same aeration and mixing conditions. Presence of surface active agents may explain this difference. Finally, estimated alpha values are in the range of 0.60 to 0.64 with the mixers on and 0.75 to 0.78 with mixers off., La méthode des bilans gazeux a été appliquée à la station d'épuration de Milly la Forêt, qui fonctionne en aération prolongée, et dont le chenal d'aération est équipé de diffuseurs fines bulles et d'agitateurs lents à grandes pales. Les mesures réalisées ont montré une hétérogénéité du rendement d'oxygénation standard le long du chenal, qui peut être reliée aux différences de débit d'air insufflé par module de diffuseurs. D'un point de vue pratique, cette hétérogénéité impose d'effectuer des mesures de rendements d'oxygénation sur chaque module de diffuseurs. Par ailleurs, la mise en rotation des boues induit un accroissement du transfert d'oxygène. Dans les mêmes conditions d'aération et de brassage, le gain, en terme de rendement d'oxygénation, est moindre en boues (20%) qu'en eau claire (40%), pour une vitesse horizontale de l'ordre de 0,4 m/s. La présence d'agents de surface pourrait être à l'origine de cette différence. Finalement, la valeur du facteur alpha est comprise entre 0.60 et 0.64 en présence d'une vitesse horizontale des boues et entre 0.75 et 0.78 sans agitation.

The objectives of this work were to measure and to interpret oxygen transfer phenomena in activated sludge with diffused air systems. The measure of oxygenation capacities of aeration systems by means of the off gas method has been validated in clean water on a pilot plant: it supplies reproducible oxygen transfer efficiencies that are close to those obtained by the reference method (non steady state clean water method). The technique has been applied on site (Milly-la-Forêt oxidation ditch, 1400 m3) and a practical methodology has been elaborated. Measurements performed under process conditions showed that for a horizontal velocity of 0.33 m.s-1, an increasing air flow rate (from 45 to 110 m3.h-1 per membrane surface) leads to a reduction of the oxygen transfer efficiency as in that of clean water. The alpha factor, of about 0.60, was thus independent of the air flow rate. As in clean water, an increase in the oxygen transfer with the horizontal current velocity has been observed. Oxygen transfer efficiency enhancement is however less significant than in clean water. The alpha factor value is thus lower with a horizontal velocity (0.60-0.65) than without velocity (0.75-0.78). Complementary measurements, performed in clean water on a pilot scale oxidation ditch, did not confirm the hypothesis of a reduction of bubbles size to explain oxygen transfer enhancement in the presence of horizontal velocity. On the contrary, a bubble diameter increase has been observed when applying a horizontal flow. The addition of surfactants into water (1 mg.L-1) did not allow to reproduce alpha factor reduction observed under process conditions when a horizontal velocity was applied. Anionic surfactants reduced bubble size, which was identical with or without mixing. The alpha factor was then increased, contrary to observation made on site. Non-ionic surfactants did not have any effect on bubble size, alpha factor was then constant when a horizontal velocity was applied., Le travail présenté avait pour objectifs de mesurer et d'interpréter les phénomènes de transfert d'oxygène en boues activées par insufflation d'air. La mesure des performances d'oxygénation des systèmes d'aération selon la technique des bilans gazeux a été validée en eau claire sur pilote. Elle fournit des rendements d'oxygénation reproductibles et voisins de ceux obtenus par la méthode de référence (réoxygénation d'eau claire). La technique a ensuite été appliquée sur le chenal d'aération de Milly-la-Forêt (1400 m3) et une méthodologie pratique a été élaborée. Les mesures réalisées en boues ont montré qu'en présence d'une vitesse horizontale de 0.33 m.s-1, une augmentation du débit d'air de 45 à 110 m3.h-1 par m2 de membrane induisait une diminution du rendement d'oxygénation proche de celle observée en eau claire. Consécutivement, la valeur du facteur alpha, de l'ordre de 0.60, est indépendante du débit d'air. L'effet positif de la mise en rotation d'eau claire sur le transfert d'oxygène a été confirmé en présence de boues activées. L'augmentation du transfert en boues avec la vitesse est cependant moindre qu'en eau claire. Le facteur alpha est donc plus élevé sans agitation (0.75-0.78) qu'en présence d'une vitesse horizontale (0.60-0.65). Les mesures complémentaires réalisées en eau claire sur pilote n'ont pas confirmé l'hypothèse émise d'une réduction de la taille des bulles par cisaillement lors de la mise en rotation de l'eau ; une augmentation du diamètre des bulles a au contraire été notée. L'addition de tensioactifs (1 mg.L-1) n'a pas permis de reproduire la diminution du facteur alpha observée lors de la mise en rotation des boues sur site réel. Les tensioactifs anioniques étudiés semblent réduire la taille des bulles d'air, qui est identique avec et sans agitation, induisant une augmentation du facteur alpha. Le tensioactif non ionique testé est sans effet sur la taille des bulles, d'où une constance du facteur alpha avec la mise en rotation de l'eau.

The horizontal flow of water in oxidation ditches improves the oxygen transfer of fine pore diffused aeration device. In clean water, oxygen transfer capacity is an increasing function of the horizontal flow, with an asymptotic shape. At a velocity of 0.4 m/s, the gain of oxygen transfer capacity, measured by the non steady state method, is about 40%. This improvement is essentially due to an increase of the interfacial area and of the air water contact time. In dirty water, oxygen transfer capacity improvement is noticed too. At an horizontal velocity of 0.4 m/s, results from non steady state tests, performed during the endogenous phase, show that the oxygen transfer capacity is increased by 50%. In process conditions, off gas measurements point out that the oxygen capacity is improved by 18% when horizontal velocity passes from 0.2 to 0.4 m/s. Finally, the alpha factor value reaches 0.65 in process conditions when an horizontal velocity is applied. This value is independent of horizontal flow, aeration system configuration and air flow rate., La mise en rotation du fluide dans les bassins d'épuration pourvus d'un système d'insufflation d'air fines bulles améliore le transfert d'oxygène. En eau claire, l'apport horaire est une fonction croissante asymptotique de la vitesse de l'eau. Pour la vitesse palier de 0.4 m/s, le gain de transfert d'oxygène, mesuré par la méthode de réoxygénation d'eau claire, est de l'ordre de 40%. L'augmentation du transfert d'oxygène s'explique essentiellement par l'accroissement de la surface d'échange et du temps de contact air-eau. En boues, l'acroissement du transfert d'oxygène est observé également. Une vitesse de rotation de 0.4 m/s des boues en phase de respiration endogène augmente l'apport horaire de 50% . Sur un bassin en fonctionnement normal, à un accroissement de la vitesse de 0.2 à 0.4 m/s correspond un gain de transfert d'oxygène de 18%. Par ailleurs, la valeur du coefficient alpha, indépendante de la vitesse du fluide, de la disposition du système d'aération et du débit d'air, est de 0.65, sur un bassin en fonctionnement normal et en présence de vitesse.

The horizontal flow of water in oxidation ditches improves the oxygen transfer of fine pore diffused aeration device. In clean water, oxygen transfer capacity is an increasing function of the horizontal flow, with an asymptotic shape. At a velocity of 0.4 m/s, the gain of oxygen transfer capacity, measured by the non steady state method, is about 40%. This improvement is essentially due to an increase of the interfacial area and of the air water contact time. In dirty water, oxygen transfer capacity improvement is noticed too. At an horizontal velocity of 0.4 m/s, results from non steady state tests, performed during the endogenous phase, show that the oxygen transfer capacity is increased by 50%. In process conditions, off gas measurements point out that the oxygen capacity is improved by 18% when horizontal velocity passes from 0.2 to 0.4 m/s. Finally, the alpha factor value reaches 0.65 in process conditions when an horizontal velocity is applied. This value is independent of horizontal flow, aeration system configuration and air flow rate., La mise en rotation du fluide dans les bassins d'épuration pourvus d'un système d'insufflation d'air fines bulles améliore le transfert d'oxygène. En eau claire, l'apport horaire est une fonction croissante asymptotique de la vitesse de l'eau. Pour la vitesse palier de 0.4 m/s, le gain de transfert d'oxygène, mesuré par la méthode de réoxygénation d'eau claire, est de l'ordre de 40%. L'augmentation du transfert d'oxygène s'explique essentiellement par l'accroissement de la surface d'échange et du temps de contact air-eau. En boues, l'acroissement du transfert d'oxygène est observé également. Une vitesse de rotation de 0.4 m/s des boues en phase de respiration endogène augmente l'apport horaire de 50% . Sur un bassin en fonctionnement normal, à un accroissement de la vitesse de 0.2 à 0.4 m/s correspond un gain de transfert d'oxygène de 18%. Par ailleurs, la valeur du coefficient alpha, indépendante de la vitesse du fluide, de la disposition du système d'aération et du débit d'air, est de 0.65, sur un bassin en fonctionnement normal et en présence de vitesse.