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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.

[Departement_IRSTEA]GMA [TR1_IRSTEA]21 - TECHNEAU / EPURE; This paper presents preliminary results obtained while implementing the off gas method for measuring the Oxygen Transfer Efficiency (OTE) in biofilters, on a full scale plant (a 33 m2 biofilter) under process conditions and on a pilot plant (a 0.12 m2 packed column) in clean water. The results have evidenced high oxygen transfer efficiency values on site ((SOTE)f of 7.1 and 6.1 % per m of diffuser submergence at a specific air flow rate of 8.8 and 13.0 Nm3.m-2.h-1, respectively), and on the packed column in clean water (SOTE from 38.0 to 12.0 % per m of diffuser submergence at a specific air flow rate increasing from 1.0 to 30.0 Nm3.m-2.h-1).The extremely high gas holdup measured on the packed column (from 0.5 to 8.0 %) may explain the high (SOTE)f estimated in the full scale plant. The gas holdup measured was more than 2 times greater than in a gas liquid reactor.; Ce travail présente les résultats préliminaires obtenus par la méthode du bilan gazeux en biofiltres sur site réel en fonctionnement (demi cellule de 33 m2 de section) et sur pilote en eau claire (0.12 m2 de section). Les résultats ont mis en évidence des valeurs de transfert d'oxygène élevées sur site réel ((SOTE)f varie de 7.1 et 6.1 % par m d'immersion de diffuseurs pour des vitesses de gaz respectivement de 8.8 et 13.0 Nm3.m-2.h-1). Sur pilote en eau claire, SOTE varie de 38.0 à 12.0 % par m d'immersion de diffuseurs lorsque la vitesse de gaz augmente de 1.0 à 30.0 Nm3.m-2.h-1).Les fortes valeurs de rétention gazeuse obtenues sur pilote (de 0.5 à 8.0 %) pourraient expliquer les valeurs élevées de transfert d'oxygène estimées sur site réel. La rétention gazeuse mesurée est d'ailleurs deux fois plus élevée qu'en réacteur gaz liquide.

[Departement_IRSTEA]GMA [TR1_IRSTEA]21 - TECHNEAU / EPURE; National audience; The goal of the work presented was partly to identify conditions for adapting to biofilters the "standard" methods used to measure oxygen transfer in clean water, and partly to determine whether or not the addition of cobalt could be avoided to reduce the rate of sulphite oxidation. The following three methods of measurement were implemented in clean water and compared on a bubble column and a biofilter pilot unit : non steady state clean water test , off gas procedure and sulphite determination method. Tests conducted at different air flow rates in the presence of a high concentration of sodium sulphite (2000 mg.L-1) demonstrated that the addition of cobalt imposed a significant acceleration factor. In a diphasic environment, the off gas procedure (with or without cobalt) produces results that are comparable to those associated with the reference method (non steady state clean water test with cobalt). Under experimental conditions, the sulphite determination method gives results that are below estimates. In the biofilter pilot unit, the method that is best suited to estimating overall oxygenation efficiency in clean water is the off gas method without the addition of cobalt.; L'objectif du travail présenté était d'une part de préciser les conditions d'adaptation aux biofiltres des méthodes de mesure "usuelles" en eau claire du transfert d'oxygène, d'autre part, de déterminer si l'addition de cobalt pouvait être évitée pour ralentir l'oxydation du sulfite. Trois méthodes de mesure ont été mises en oeuvre en eau claire et comparées sur colonne à bulles et en pilote biofiltre : la méthode de réoxygénation, la méthode des bilans gazeux et la méthode du dosage du sulfite. Les essais réalisés à différents débits d'air en présence d'une forte concentration en sulfite de sodium (2000 mg.L-1) ont montré que l'ajout de cobalt induisait un important facteur d'accélération du transfert d'oxygène. En milieu diphasique, la méthode des bilans gazeux (sans ou avec cobalt) fournit des résultats comparables à la méthode de référence (réoxygénation avec cobalt). Dans les conditions expérimentales, la méthode du dosage de sulfite fournit des résultats sous estimés. En pilote biofiltre, la méthode la mieux adaptée pour l'estimation du rendement d'oxygénation global en eau claire est la méthode des bilans gazeux sans addition de cobalt.

[Departement_IRSTEA]GMA [TR1_IRSTEA]21 - TECHNEAU / EPURE; The aeration represents more than 80 % of the energy consumption in biofilters but there is very little data to date on oxygen transfer measurements in such systems. Oxygen transfer efficiency measurements have been performed on a pilot column by the off gas method in clean water. To maintain the dissolved oxygen concentration at 0 mg.L-1, different concentrations of sodium sulphite (S0 = 2, 3, 4 et 8 g.L-1) have been injected at 3 liquid velocities (0, 4 et 7 m.h-1).The standard oxygen efficiency is a decreased function of gas velocity and an increased function of conductivity. The liquid velocity has no effect on the oxygen transfer. A relation of conductivity in clean water has been proposed to express the oxygen transfer efficiency at a low conductivity value (2000 µS.cm-1).; 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 (S0 = 2, 3, 4 et 8 g.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 2000 µS.cm-1.

This paper outlines 4 methods for measuring oxygen transfer under process conditions. The off gas method, two nonsteady-state methods (absorption method and desorption method using hydrogen peroxide) and the steady-state method (measurement of the in situ oxygen uptake rate) are compared, under perfectly controlled process conditions in a pilot column, and in an oxidation ditch equipped with fine bubble diffusers and a banana blade mixer. The off gas method and the nonsteady-state method using hydrogen peroxide give very similar results (differences between kLaf less than 5%). On the contrary, the absorption method gives more random results (differences from -5 to -43% in comparison to the value obtained with the off gas method) and the oxygen uptake rate measurement results in an underestimation of the oxygen transfer coefficient kLaf in the order of 10 to 15%.; 4 méthodes de mesure du transfert d'oxygène en boues activées sont présentées. La méthode des bilans gazeux, 2 méthodes non stationnaires (réoxygénation des boues et désorption au peroxyde d'hydrogène) et la mesure de respiration des boues en régime stationnaire ont été comparées, dans des conditions parfaitement contrôlées en colonne pilote et sur un chenal d'aération équipé de diffuseurs fines bulles. La méthode des bilans gazeux et la méthode au peroxyde d'hydrogène donnent des résultats très proches (différences inférieures à 5%). En revanche, la méthode de réoxygénation des boues donne des résultats plus aléatoires (écarts de -5 à -43% par rapport à la valeur obtenue par bilans gazeux) et la mesure de respiration conduit à une sous estimation du coefficient de transfert kLaf de l'ordre de 10 à 15%.

Applying a horizontal flow to clean water in a shallow annular oxidation ditch (water depth lower than 5 meters) equipped with fine bubble diffusers improves the oxygen transfer efficiency, the increase generally lying in the range 30% to 50%. Under process conditions, this increase is lower. The value of the alpha factor thus decreases when a horizontal velocity is applied to the liquid. On the site of Milly la Forêt (low loaded oxidation ditch), the alpha factor value is about 0.75 without mixing and about 0.62 for a horizontal velocity comprised between 0.17 and 0.45 m.s(-1).

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.

The present document scopes the LCA (Life Cycle Assessment) of an activated sludge treatment technology designed for domestic sewage. Inventory data relative to construction and operation of three variants of activated sludge wastewater treatment plants are described in this document. This action required a close collaboration between Cemagref specialists in environmental assessment and experts in sanitation.; Le présent rapport d’étape concerne l’analyse environnementale de cycle de vie (ACV) d’une filière de traitement des eaux usées domestiques par boues activées. Les données d’inventaire relatives à la construction et opération de trois variantes de stations de traitement des eaux usées mettant en oe½uvre la technologie « boues activées » sont compilées dans ce document. Cette action a nécessité une collaboration étroite entre les spécialistes de l’évaluation environnementale et les experts des filières de traitement des eaux usées du Cemagref.

National audience

International audience; Membrane bioreactors (MBR) have been recently used in large scale wastewater treatment plants. Modelling the functioning of such processes could help the development of adequate control strategies. In this study, a fuzzy inference method is used to i) simulate a 4,5 months campaign on a semi-industrial MBR treating rejection water from sludge treatment, ii) discriminate the influence of operating parameters on membrane fouling. The results show not only a good representation of the permeability evolution, but also coupled influences of sludge properties and operating parameters on fouling.

National audience; Over the past decades in Europe, man-made ecosystems such as constructed wetland systems have been successfully harnessed to treat sewage and other pollutants in waste waters. This work presents a comparative Life Cycle Assessment (LCA) study between (i) a 2-stage vertical Reed Bed Filter, and (ii) a conventional activated sludge system, both designed following usual French guidelines in domestic sewage treatment. The first LCA applicability challenge is to get an equilibrated mass balance between wastewater inputs in Nitrogen, Phosphorus, Carbon and systems outputs. The second LCA challenge overcome in this work is to provide grounds for comparison in terms of treatment efficiency between the two systems. Results show the poor efficiency of vertical Reed Bed Filters in removing nitrates, organic nitrogen and phosphates which highlight the need to pursue other avenues in the all important reduction of eutrophication in waterways.

National audience