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

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

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

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

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

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

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE [Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; Dans l’objectif de mieux comprendre l’impact des caractéristiques des boues activées sur leur comportement rhéologique et sur le transfert d’oxygène, un dispositif expérimental, constitué d'une colonne à fines bulles de 0,3 m3 alimentée en boues activées en continu et d'un rhéomètre capillaire, a été mis en oeuvre sur une station d’épuration à boues activées conventionnelle. La rétention gazeuse globale et le coefficient de transfert d’oxygène (kLa) ont été mesurés dans la colonne à bulles et le comportement rhéologique des boues a été déterminé en sortie de celle-ci. Parallèlement, plusieurs propriétés des boues activées ont été mesurées (MES, MVS, DCO, DCO soluble, tensioactifs, tension de surface et tension de surface dynamique). L’évolution des paramètres rhéologiques K et n du modèle d’Ostwald ont été déterminés pour différentes concentration en matières en suspension (MES) comprises entre 3,0 et 8,6 g/L. Par ailleurs, les mesures d’oxygénation ont montré une diminution du coefficient volumique de transfert de matière (kLa) avec l’augmentation de la concentration en MES. Cette diminution peut être en partie attribuée à la diminution de rétention de gaz (eG) liée à une augmentation de la viscosité apparente des boues. Finalement, les résultats expérimentaux ont permis d’estimer le taux de cisaillement moyen existant dans la colonne à bulles et de développer un modèle empirique liant le coefficient volumique de transfert d’oxygène (à 11°C, kLa11) à la vitesse superficielle de gaz (UG) et à la viscosité apparente des boues. / In order to better understand the impact of the characteristics of activated sludge on their rheological behaviour and on oxygen transfer, an experimental set-up, comprising a fine bubble column of 0,3 m3 continuously fed with activated sludge and a capillary rheometer, has been implemented in a wastewater treatment plant. The overall gas holdup and volumetric oxygen transfer coefficient (kLa) were measured in the bubble column and the rheological behaviour of the activated sludge was determined using the column liquid effluent. Simultaneously, several properties of activated sludge were measured (MLSS, MVSS, COD, soluble COD, surfactants, surface tension and dynamic surface tension). The evolution of rheological parameters K and n from the Ostwald model was determined for a MLSS concentration ranging between 3,0 and 8,6 g/L. In a ddition, aeration test showed a decrease of the volumetric mass transfer coefficient (kLa) with increasing MLSS. This reduction can be partially attributed to a lower gas holdup (εG) associated with an increase of the sludge apparent viscosity. Finally, the experimental results were used to estimate the average shear rate in the bubble column and to subsequently obtain an empirical correlation linking the volumetric oxygen transfer coefficient (at 11°C, kLa11) to the superficial gas velocity (UG) and the apparent viscosity of the sludge = 1,6 x10-5 * UG 0,8 * μapp-0,34, where the apparent viscosity (μapp) is a function of the MLSS concentration and the average shear rate in the column.

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

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

International audience; This work investigated the impact of aeration control strategy on energy consumption and nitrous oxide (N2O) emission in a full-scale wastewater treatment plant. Two identical activated sludge processes treating the same effluent but operated with different aeration control strategies were compared. Aeration tank 1 was operated with a new control strategy favouring the simultaneous nitrification denitrification (SND) whereas aeration tank 2 was operated with a conventional control strategy with distinct nitrification and denitrification phases. Results indicated that whereas the N2O emission factor was comparable in both systems (in the order of magnitude of 0.004% of the influent TKN load), N2O emission pattern was dependent on the adopted aeration control strategy. It has been observed that high aeration

International audience

International audience; This work investigated the impact of aeration control strategy on energy consumption and nitrous oxide (N2O) emission in a full-scale wastewater treatment plant. Two identical activated sludge processes treating the same effluent but operated with different aeration control strategies were compared. Aeration tank 1 was operated with a new control strategy favouring the simultaneous nitrification denitrification (SND) whereas aeration tank 2 was operated with a conventional control strategy with distinct nitrification and denitrification phases. Results indicated that whereas the N2O emission factor was comparable in both systems (in the order of magnitude of 0.004% of the influent TKN load), N2O emission pattern was dependent on the adopted aeration control strategy. It has been observed that high aeration flow rates (aeration tank 2) were likely to promote N2O transfer from the gas phase to the liquid phase.

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.

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

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

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

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.

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

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.

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

National audience

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; International audience; In activated sludge systems for wastewater treatment, the optimisation of aeration systems is essential to guaranty a high degree of wastewater treatment and to reduce operating costs. Modelling is widely used to this aim but does not allow to predict the oxygen transfer due to the lack of in situ data in terms of bubble characteristics. The objective of this paper is therefore to present and discuss bubble distributions obtained in full-scale reactors. A new method based on statistical and physical analysis is proposed to characterise bubble populations, and the impact of design and operating parameters on bubble diameters is investigated. Bubble sizes are determined using an immersed camera and image analysis (Fayolle et al., 2010). The bubble populations were obtained in 3 deep aeration tanks (volume from 1500 to 8600m3; water depth from 5.5 to 8.1m) and for 11 different operating conditions in terms of liquid circulation, air flow rate, All measurements were performed in clean water (from tap and groundwater). The observed bubbles have an ellipsoidal shape. After image processing, the major and minor axes of the bubbles are determined. According to Riboux et al. (2010), the air bubble aspect ratio (χ) in clean water is described by Eq1: χ=1+A.We^2, where A is a constant and We the dimensionless Weber number that compares the inertial force to the surface tension force. As bubble velocity and surface tension can be considered constant, Eq1 can be reduced to Eq2: χ=1+B.db^2, where db is the equivalent diameter and B a constant. Based on Eq2, a critical and statistical analysis of bubble populations is performed. Bubble sizes are considered as outliers if observed χ values differ from the ones obtained using Eq2 (the total set of bubbles is reduced about 30%). The surface and the volume of each bubble are then calculated to estimate the Sauter diameter and the volumetric area of the bubble population. Bubble equivalent diameters lie between 1 and 7mm for each of 3 aeration tanks. Obtained B values are around 0.03mm-2, different from those obtained by Riboux et al. (2010) in a lab-scale pilot with filtered tap water (0.16mm-2). This lower value can be linked to the poor quality of the water used for the full-scale tests which modify the contamination level of the bubble interface. Validated data sets of bubble distributions will further be analysed to investigate the impact of design and operating parameters on bubble characteristics and interfacial area.

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

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

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

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

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; International audience; The objective of this experimental study was to collect and to interpret data in order to better understand the oxygen mass transfer phenomena occurring in full-scale aeration tanks equipped with fine bubble diffusers and slow speed mixers (inducing horizontal liquid flows). Bubble size, local depth and oxygen mass transfer coefficient were measured in situ for a given air flow rate (1555 N m3 h-1) and for two different axial liquid velocities. The increase in the global oxygen transfer coefficient is of 29% when the mean axial liquid velocity varies from 0 to 0.42 m s-1. The small influence of the liquid velocity on the local bubble Sauter diameter (about -4%) cannot explain the increase in kLa20. This increase in kLa20 with the axial liquid velocity is mainly due to the attenuation of the vertical liquid circulation induced by the gas injection.

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.

[Departement_IRSTEA]MA [TR1_IRSTEA]TED / EPURE; International audience; The objective of this experimental study was to collect and to interpret data in order to better understand the oxygen mass transfer phenomena occurring in full-scale aeration tanks equipped with fine bubble diffusers and slow speed mixers. Bubble size, liquid level and oxygen mass transfer coefficient were measured in situ for a same air flow rate (1,555 Nm3 h-1) and for two different horizontal liquid velocities (0 and 0.42 m s-1). The increase in the global oxygen transfer coefficient is of 29% when the mean horizontal liquid velocity varies from 0 to 0.42 m s-1. The small influence of the liquid velocity on the local bubble Sauter diameter (about -4%) can not explain the increase in kLa20. This increase in kLa20 with the horizontal liquid velocity is mainly due to the attenuation of the vertical liquid circulation induced by the gas injection.

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.

[Departement_IRSTEA]MA [TR1_IRSTEA]TED / EPURE; International audience; In order to optimize aeration in the activated sludge processes, an experimentally validated numerical tool, based on computational fluid dynamics and able to predict flow and oxygen transfer characteristics in aeration tanks equipped with fine bubble diffusers and axial slow speed mixers, is proposed. For four different aeration tanks (from 1 to 29,313 m3), this tool allows to precisely reproduce experimental results in terms of axial liquid velocities, local gas hold-ups. Predicted oxygen transfer coefficients are within 5% of experimental results for different operating conditions (varying pumping flow rates of the mixers and air flow rates). However, the actual bubble size must be known with precision in order to have a reliable estimation of the oxygen transfer coefficients.

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

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.

Since the 1990`s, aeration tanks of various sizes and geometry have been increasingly equipped with EPDM membrane diffusers. Oxygenation performance prediction, at a project stage, is however still relatively inaccurate, as it fails to take into account hydrodynamic conditions of the site under study. As a substantial number of oxygenation, performance measurements of fine bubble aeration systems has been performed by the Cemagref, the establishment of relationships between the oxygen transfer and the parameters affecting it has been considered using dimensional analysis. Relationships have been established between the oxygen transfer coefficient at 20 °C (kLa20) and standard oxygen transfer efficiency per meter of submergence (ROs/m) and the parameters characteristic of the oxygen mass transfer. In cylindrical tanks (21 measurements), characteristics parameters are the following: the air flow rate (QG), the depth of submergence (h), the tank surface area (S), the total membrane area (Sp) and the aerated surface (Sa). In circular ditches (47 measurements), the same parameters have been retained, complemented with the tank width (the angle between the mixers and the first grid of diffusers (Ang) and the horizontal velocity of water (UC). In addition, the annular ditches have been differentiated according to the tank coverage: tank coverage higher than 50 % of the surface area (Type I) or at the maximum 50 % of the area (Type II). The specific variables of the oxygen in fine bubble aeration as well as the dimensionless numbers characterising the oxygenation capacities of aeration systems are defined. The relationships predicting oxygen transfer coefficients and oxygen transfer efficiencies in function of the pre-cited factors are then presented. Finally, some examples illustrate the application of the relationships to aeration system design. analyse dimensionnelle, épuration des eaux résiduaires, fines bulles, modèle, transfert d'oxygène.; Les systèmes d`insufflation d`air en fines bulles équipant des bassins d`aération de taille et de géométrie variées connaissent depuis les années 90 un fort développement. Cependant, à ce jour, les performances du transfert d'oxygène prévues au stade des projets prennent peu ou pas en compte les conditions hydrodynamiques spécifiques à chaque site. L`interprétation des résultats d`essais d'aérateurs en eau claire effectués par le Cemagref, à l'aide de l'analyse dimensionnelle, a permis d'établir des relations donnant le coefficient de transfert d'oxygène à 20 °C (kLa20) et le rendement d'oxygénation standard par mètre d'immersion (ROs/m), en fonction des paramètres caractéristiques du transfert d'oxygène. En bassins cylindriques (21 mesures), les paramètres caractéristiques sont : le débit d'air insufflé (QG), la hauteur d'immersion des diffuseurs (h), la surface du bassin (S), la surface des membranes (Sp) et la surface aérée (Sa). En chenaux d'aération (47 mesures), les mêmes paramètres ont été retenus, additionnés de la largeur du chenal (L), de l'angle entre les agitateurs et le premier module de diffuseurs (Ang) et de la vitesse horizontale de circulation de l'eau (UC). Deux types de chenaux ont été considérés suivant la disposition des modules de diffuseurs : sur plus de la moitié du radier (type I) ou sur au plus la moitié du radier (type II). Le présent document propose des définitions des variables caractéristiques du transfert d'oxygène en insufflation d'air fines bulles, des critères et des nombres sans dimension caractérisant les performances d'oxygénation des systèmes d'aération. Les relations permettant de prédire les coefficients de transfert d`oxygène et les rendements d`oxygénation en fonction des facteurs précités sont présentées. Enfin des exemples illustrent l'application de ces relations au dimensionnement des systèmes d'aération.

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.

[Departement_IRSTEA]GMA [TR1_IRSTEA]21 - TECHNEAU / EPURE; National audience; L'aération représente plus de 80% de l'énergie consommée par un étage de biofiltration mais les mesures de capacité d'oxygénation rapportées dans la littérature sont rares. Des mesures de rendements d'oxygénation ont été effectuées sur pilote par la méthode du bilan gazeux en eau claire. Pour maintenir la concentration en oxygène dissous à 0 mg.L-¹), différentes solutions concentrées en sulfite de sodium (S°=2,3,4 et 8g.L―¹ ont été injectées à trois vitesses liquide (0,4 et 7 m.h¯¹). Le rendement d'oxygénation standard est une fonction décroissante de la vitesse de gaz et une fonction croissante de la conductivité. La vitesse liquide n'a pas d'influence sur le transfert d'oxygène. Une relation de correction de la conductivité en eau claire a finalement été proposée afin de rapporter les résultats obtenus à une conductivité de référence de 200 µS.cm¯¹.