Analyse et modélisation de la nitrification partielle et de ?· INSA de Toulouse Analyse et modélisation…

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    12-Sep-2018

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  • N dordre : 805

    THESE prsente

    LInstitut National des Sciences Appliques de Toulouse

    en vue de lobtention du grade de

    Docteur

    Gnie des Procds et de lEnvironnement

    par

    Vaitea PAMBRUN Ingnieur en Gnie de Procds Industriels

    INSA de Toulouse

    Analyse et modlisation de la nitrification partielle

    et de la prcipitation concomitante du phosphore

    dans un racteur alimentation squence

    Date de soutenance : le 29 novembre 2005

    Jury : Rapporteurs N. BERNET Charg de Recherches INRA Narbonne Y. COMEAU Professeur Ecole Polytechnique de Montral Examinateur A. HEDUIT Directeur de Recherches CEMAGREF Anthony Directeurs de thse E. PAUL Professeur INSA Toulouse M. SPERANDIO Matre de Confrences INSA Toulouse Invit J. MEINHOLD Ingnieur de recherche - VEOLIA

    Ecole doctorale : Transferts, Dynamique des Fluides, Energtique et Procds

    Laboratoire daccueil : Laboratoire dIngnierie des Procds de lEnvironnement (Toulouse)

  • Nom : PAMBRUN Prnom : Vaitea Analyse et modlisation de la nitrification partielle et de la prcipitation concomitante du

    phosphore dans un racteur alimentation squence.

    Thse de Doctorat, Gnie des Procds et de lEnvironnement, INSA de Toulouse, 2005 235 pages, 119 rfrences

    Rsum : Dans le cas du traitement deffluents concentrs en azote ammoniacal (contenant 300 1000 mg

    N.L-1), une des voies doptimisation envisageable est la nitrification partielle (avec arrt au stade

    des nitrites), pour laquelle le verrou majeur est la conversion stable de lammoniaque en nitrite.

    Un racteur oprant de manire squenc (SBR) peut permettre de convertir en totalit

    lammoniaque nitrifiable dun effluent en nitrites, les principaux paramtres matriser tant le

    pH, la charge applique en azote ammoniacal, ainsi que la dure des cycles (priodes ares). Un

    mode de contrle du racteur, mis en place au cours de cette tude et bas sur la mesure de

    lactivit respiratoire, permet doptimiser la dure des cycles du procd quelle que soit la

    concentration en azote ammoniacal de leffluent traiter et lactivit des micro-organismes. Ce

    systme a permis datteindre une charge limine trs leve (2 kg N-NH4+.m-3.j-1), et de garantir

    un rendement dlimination de 100% de lammoniaque et une conversion maximale de lazote en

    nitrites. Le mcanisme principal permettant de raliser cette slection de population semble tre

    linhibition par lammoniaque. Un modle qui dcrit les deux tapes de la nitrification dans ce

    type de racteur a t dvelopp, identifi et valid. Leffluent trait dans cette tude contenant de

    fortes concentrations en phosphates et un rapport DCO/N faible, la boue produite par le

    procd est riche en matire minrale et en bactries autotrophes. Ltude de la prcipitation

    concomitante du phosphore a montr un taux minimum dlimination du phosphore de 40%, qui

    atteint 90% lorsque lammonium saccumule transitoirement dans le racteur. La raction

    biologique, qui conditionne les variations de pH et la concentration en ammonium au cours du

    temps, gnre des modifications de la prcipitation. Ces paramtres orientent la prcipitation soit

    vers la struvite, soit vers lhydroxyapatite, qui ont t identifis par analyse des spectres de

    diffraction X.

    Ce procd adaptatif constitue une solution intressante pour traiter simultanment lazote et le

    phosphore, en minimisant les besoins nergtiques et en proposant une alternative de valorisation

    du phosphore.

    Mots cls : Nitrification partielle, prcipitation du phosphore, modlisation, inhibition, SBR.

  • Surname : PAMBRUN First name: Vaitea Study and modelling of partial nitrification and concomitant phosphorus precipitation in

    a sequencing batch reactor.

    PhD Thesis, Laboratory of Environmental Processes Engineering, INSA Toulouse, 2005 235 pages, 119 references

    Abstract : For highly concentrated ammonia effluents (containing 300 to 1000 mg NH4+-N.L-1), partial

    nitrification can be used to optimize the treatment process. The most challenging aspect is to

    maintain a long term stable nitrite accumulation. A sequencing batch reactor allows a total

    conversion of ammonia to nitrite. The main control parameters are pH, applied load and cycle

    duration time (aerated periods). Process control, based on on-line oxygen uptake rate, allowed to

    optimize the process cycle duration time, whatever was the influent ammonia concentration or

    the biological activity. With this system, a high loading was reached (2 kg NH4+-N.m-3.j-1), with

    complete removal of ammonia and a maximal conversion of nitrogen into nitrite. The main

    biological mechanism was the inhibition of nitrite-oxidizing bacteria by free ammonia (NH3). A

    mathematical model was developed, calibrated and validated for the description of the two-step

    nitrification. The effluent used in this work contained a high phosphate concentration and a low

    COD/N ratio, and produced a sludge enriched in mineral matter and autotrophic bacteria.

    The concomitant precipitation of phosphorus showed a minimal phosphorus removal efficiency

    of 40%, reaching 90% when the ammonium concentration in the reactor was high.

    This adaptive process control offers a promising way to simultaneously treat nitrogen and

    phosphorus in the same reactor, minimizing energy needs and favoring the possible valorisation

    of the phosphorus present in the sludge.

    Key words : Partial nitrification, phosphorus precipitation, modelling, inhibition, SBR.

  • Liste des publications et communications lies cette thse

    Publications dans des revues comits de lecture V. Pambrun, E. Paul and M. Sprandio (2004) Treatment of nitrogen and phosphorus in highly concentrated effluent in SBR and SBBR processes. Water Science and Technology 50 [6], pp 269-276. Vaitea Pambrun, Etienne Paul and Mathieu Sprandio (2005) Control and modelling of partial nitrification of effluents with high ammonia concentrations in Sequencing Batch Reactor. Texte soumis publication dans Chemical Engineering Journal. Pambrun V, Paul E and Sprandio M (2006) Modelling the partial nitrification in Sequencing Batch Reactor for biomass adapted to high ammonia concentrations. Texte soumis publication dans Biotechnology and Bioengineering.

    Communications orales sur texte complet Vaitea Pambrun, Etienne Paul and Mathieu Sprandio (2004). Treatment of nitrogen and phosphorus in highly concentrated effluent in SBR and SBBR processes. IWA International Conference on Wastewater Treatment for Nutrient Removal and Reuse. AIT Bangkok, Thalande ; 26-29 Janvier 2004. V. Pambrun, E. Paul and M. Sprandio (2005) Control and modelling of partial nitrification of effluents with high ammonia concentrations in Sequencing Batch Reactor. IWA specialist conference Nutrient Management in Wastewater Treatment Processes and Recycle Streams. Cracovie, Pologne ; 18-21 septembre 2005. Vaitea Pambrun, Etienne Paul et Mathieu Sprandio (2005) Mise en oeuvre et modlisation de la nitritation en racteur squenc (SBR) cas des effluents trs concentrs en ammoniaque. 10me Congrs de la Socit Franaise de Gnie des Procds. Toulouse, France ; 20-22 septembre 2005.

    Autres communications et posters Vaitea Pambrun, Etienne Paul and Mathieu Sprandio (2004) Nitrite accumulation from highly concentrated effluent in SBR and SBBR processes. EU 5th framework IcoN Symposium Anammox: new sustainable N-removal from waste water . Gent, Belgique ; 21-23 janvier 2004. Mathieu Sprandio, Vaitea Pambrun et Etienne Paul (2004) Nouveau procd de traitement des effluents concentrs en azote et phosphore. Journes Techniques : Traitement des effluents industriels procds coupls ou hybrides, alternatives aux procds biologiques . Toulouse, France ; 2-3 juin 2004.

  • Remerciements Cette thse a t ralise au Laboratoire dIngnierie des Procds de lEnvironnement de lINSA de Toulouse. Je remercie le directeur Alain LINE de mavoir accueillie au sein de ce laboratoire. Je remercie galement lensemble du Jury, prsid par Mr. HEDUIT, pour leur participation lvaluation de ce travail et plus particulirement messieurs BERNET et COMEAU pour avoir accept den tre les rapporteurs. Je tiens remercier sincrement le Docteur Mathieu SPERANDIO qui ma accord sa confiance pour mener bien ce projet et qui ma beaucoup apport au cours de ces trois annes tant par ses qualits scientifiques quhumaines. Je remercie galement le Professeur Etienne PAUL pour sa confiance et son soutien durant chaque tape importante de ce travail. Je souhaite remercier spcialement Evrard MENGELLE et Aldo MORO pour leur aide technique plus que prcieuse et pour leur motivation maintenir une bonne ambiance de travail. Mme les prvlvements deffluents Muret taient agrables..., et je voudrai cette occasion remercier Mr. BONNOT de la station dpuration de MURET. Merci galement Grard CANCEL pour son aide et sa disponibilit. Par ailleurs je remercie Stphane MATHE et Eugnie BADORC pour leurs conseils et leur gentillesse durant les longues sries de TP, ainsi quAldo bien sr. Merci galement Mesdames CORRADI, CONFORTIN et BOSCH pour mavoir aid dans toutes mes dmarches administratives, qui ont t grandement simplifies grce vous. Sandrine et Xavier, je ne vous oublie pas et vous remercie pour les multiples services rendus et votre agrable compagnie. Par ailleurs, jaimerai remercier vivement les tudiants Matthieu PICHAULT, Nouceiba ADOUANI et Maxime ZEVACO qui ont contribu cette thse : Merci Petit Matthieu, Max et Noussa pour votre aide, votre motivation et votre bonne humeur quasi-constante. Jai pass dexcellents moments en votre compagnie et travailler avec vous a t trs intressant et enrichissant. Un grand merci Pierre, pour mavoir initi la recherche, ainsi qu Mos, Damien, Juan, Friel et Nico pour laide scientifique et lamiti quil mont accordes. Je voudrais galement adresser une pense amicale pour ceux qui ont contribu la bonne ambiance qui a rgn durant ces trois ans : Anthony, Marlne, Lucie, Sophie, Eric, Benot, Vivien, Matthieu, Sophie Largen, Aurelive de Brive, Julie, Max, Fifi, Nico et tous ceux que jai rencontr PJ, laure , Pisut et Nicolas avec qui nous avons partag quelques annes lINSA, sans oublier Sylvia, Sonia, Viviane, Rmi et Julien.

  • Fifi et Marlne, mes deux coupines que je garde dans mon cur, merci davoir t prsentes et de mavoir accord votre amiti ; ces annes de thse auraient t bien fades sans vous Bien sr, je remercie mes amis de Tahiti qui savent ce que cest dtre expatri aussi longtemps (et dtre fiu de temps en temps) : Jean-Lau (je tadore, tu le sais), Hayde et Jam (a va faire 20 ans les filles !), Maeva, Vat et Simon Je souhaiterai tout particulirement remercier Sophie, pour mavoir soutenue quand il le fallait ; Nico, mon compre depuis six ans et un de mes meilleurs amis (eh oui bien sr !). Simon, merci de mavoir supporte et soutenue dans les moments difficiles, et de continuer Enfin, je voudrais finir en remerciant toute ma famille que je noublie jamais (mme plus de 20000 km) pour mavoir toujours soutenue, financirement et affectivement, pendant toutes ces annes. Je remercie mes grands parents et ma mre pour leur exemple et leur force de caractre. Maman, un grand grand merci, car sans toi je ne serai pas ce que je suis devenue ; je suis fire dtre ta fille.

  • A Vanina et Mateata

  • II

    SOMMAIRE

    INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................ 2

    SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE....................................................................................... 4

    SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE : PARTIE I ..................................................................... 6 TRAITEMENT DE LAZOTE ....................................................................................................... 6

    I. La Nitrification Biologique ........................................................................................ 8 I.1 Type de micro-organismes ................................................................................. 8 I.2 Mtabolisme nitrifiant ........................................................................................ 9 I.3 Caractristiques de croissance et Stchiomtrie ............................................. 12 I.4 Facteurs du milieu influenant la croissance et lactivit des bactries nitrifiantes..................................................................................................................... 16

    II. La Dnitrification Biologique .................................................................................. 20 II.1 Types de micro-organismes ............................................................................. 21 II.2 Mtabolisme dnitrifiant .................................................................................. 21 II.3 Stoechiomtrie de la dnitrification ................................................................. 22 II.4 Paramtres influant sur la vitesse de dnitrification......................................... 24

    III. Le Shunt des Nitrates............................................................................................ 26 III.1 Principe et Intrt ............................................................................................. 26 III.2 Stratgies de mise en oeuvre ............................................................................ 27

    IV. Autres processus biologiques de traitement de lazote ........................................ 32 IV.1 Nitrification htrotrophe et Dnitrification arobie (Van Loosdrecht et Jetten (1998)).......................................................................................................................... 32 IV.2 Dnitrification par des bactries nitrifiantes autotrophes................................. 33 IV.3 Oxydation de lammonium par voie anarobie ................................................ 33

    V. Les racteurs de traitement biologique de lazote ................................................... 37 V.1 Les procds conventionnels............................................................................ 37 V.2 Les procds et stratgies de traitement de lazote via laccumulation de nitrites .......................................................................................................................... 40

    VI. Conclusion............................................................................................................ 47 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE : PARTIE II .................................................................. 48 ELIMINATION DU PHOSPHORE ............................................................................................... 48

    I. Gnralits ............................................................................................................... 50 II. Le phosphore dans les effluents ............................................................................... 51

    II.1 Formes du phosphore dans les eaux uses ....................................................... 51 II.2 Teneur en phosp...

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