Modelling gas-liquid mass transfer in wastewater treatment : when current knowledge needs to encounter engineering practice and vice versa

Abstract Gas–liquid mass transfer in wastewater treatment processes has received considerable attention over the last decades from both academia and industry. Indeed, improvements in modelling gas–liquid mass transfer can bring huge benefits in terms of reaction rates, plant energy expenditure, acid–base equilibria and greenhouse gas emissions. Despite these efforts, there is still no universally valid correlation between the design and operating parameters of a wastewater treatment plant and the gas–liquid mass transfer coefficients. That is why the current practice for oxygen mass transfer modelling is to apply overly simplified models, which come with multiple assumptions that are not valid for most applications. To deal with these complexities, correction factors were introduced over time. The most uncertain of them is the α-factor. To build fundamental gas–liquid mass transfer knowledge more advanced modelling paradigms have been applied more recently. Yet these come with a high level of complexity making them impractical for rapid process design and optimisation in an industrial setting. However, the knowledge gained from these more advanced models can help in improving the way the α-factor and thus gas–liquid mass transfer coefficient should be applied. That is why the presented work aims at clarifying the current state-of-the-art in gas–liquid mass transfer modelling of oxygen and other gases, but also to direct academic research efforts towards the needs of the industrial practitioners

Analyse and modelling of nitrous oxide emissions from full-scale tertiary nitrifying biological aerated filters

Le protoxyde d’azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES) jouant un rôle clé dans la destruction de la couche d’ozone. Principalement d’origine naturelle, il est également émis par les procédés de traitement des eaux résiduaires lors du traitement biologique de l’azote par nitrification et dénitrification. Dû à son fort pouvoir de réchauffement global, équivalent à 300 fois celui du dioxyde de carbone, le N2O contribue significativement au bilan carbone des stations d’épuration. Depuis une dizaine d’années, des efforts ont été consacrés à la compréhension des mécanismes de production du N2O et à l’évaluation in situ de ces émissions, ce qui a conduit au développement de modèles mécanistes. Ces derniers ont, pour l’instant, principalement été appliqués aux procédés à biomasse libre et très peu aux procédés à biomasse fixée. Or, de récentes mesures réalisées sur les unités de biofiltration de la station Seine Aval (~ 5 millions d’équivalents-habitants) indiquent des taux d’émission du N2O élevés, bien supérieurs à ceux des procédés conventionnels à boues activées. L’objectif de cette thèse était d’approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents aux émissions de N2O par les unités de biofiltration en nitrification tertiaire. A cette fin, un modèle de biofiltration représentant le fonctionnement des biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval a été étendu pour y inclure les principales voies biologiques de production de N2O. L’évaluation de l’influence de la représentation du transfert gaz/liquide sur les performances de traitement de l’azote et la répartition des flux de N2O entre les phases gazeuse et liquide a montré que la prise en compte d’un bilan matière sur la phase gazeuse avait un impact relativement faible sur le transfert de matière de l’oxygène. A contrario, celle-ci s’avère indispensable à la représentation des échanges gaz/liquide du monoxyde d’azote (NO) et du N2O. Afin d’étudier les mécanismes à l’origine de la production de N2O, le modèle biocinétique a par ailleurs été calé sur un jeu de données comprenant deux ans de fonctionnement des biofiltres et incluant deux périodes pour lesquelles les flux de N2O ont été mesurés expérimentalement. Une analyse de sensibilité globale a permis d’identifier l’effet dominant des paramètres affectant l’accumulation de nitrites, un précurseur de la production de N2O, sur les concentrations de N2O. Avec une modification de seulement 7 paramètres (sur plus de 90), le modèle s’avère capable de prédire les performances de traitement de l’azote ainsi que l’ordre de grandeur et les principales dynamiques des flux de N2O mesurés lors de deux campagnes. Le modèle calé a par la suite été employé pour extrapoler les émissions sur l’ensemble de la période d’étude et analyser l’effet des conditions opératoires sur les mécanismes de production. Le facteur d’émission de N2O (FE), qui correspond à la proportion d’ammonium appliquée émise en N2O, était en moyenne de 2,2%, soit plus de 60 fois le FE usuellement employé pour l’établissement des bilans d’émission de GES des stations d’épuration. Ce facteur varie de 0,3 en 4,4%, en lien avec la charge ammoniacale appliquée, les débits d’air, et la température. Sur la base de ces résultats, des leviers de réduction des émissions ont été identifiés et un modèle statistique a été établi afin de proposer une nouvelle méthodologie de quantification des émissionsNitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas (GHG), playing a major role in the ozone layer depletion. Mainly from natural origin, it is also emitted by wastewater treatment processes, during biological nitrogen removal through nitrification and denitrification. Because of its high global warming potential, about 300 times the one of carbon dioxide, N2O contributes significantly to the carbon footprint of wastewater resource recovery facilities (WRRF). For the last decade, considerable efforts have been made to understand the mechanisms of N2O production and evaluate in situ emissions, which led to the development of mechanistic models. The latter have been mainly applied to suspended biomass systems, and rarely to fixed biomass processes. Yet, recent measurements performed on biologically active filters (BAF) of Seine Aval WRRF (~ 5 million people equivalents) indicated high N2O emissions, much higher than those measured on conventional activated sludge systems. The objective of this PhD thesis was to increase knowledge on the comprehension of N2O production mechanisms in tertiary nitrifying BAFs. To this end, a BAF model describing the functioning of Seine Aval tertiary nitrification units was extended to include the main biological N2O production pathways. Studying the influence of the gas/liquid transfer representation on the prediction of nitrification performances and the gas/liquid partition of N2O fluxes showed that considering a mass balance on the gas phase did not significantly affect oxygen transfer. In contrast, including a mass balance was found essential to represent gas/liquid exchanges of nitric oxide (NO) and N2O. To investigate the triggers of N2O production, the biokinetic model was calibrated on a dataset including two years of functioning of the nitrification stage and two periods during which N2O fluxes were measured. A sensitivity analysis highlighted the major effect of parameters controlling the accumulation of nitrite, a precursor to N2O production, on the prediction of N2O concentrations. By modifying 7 parameters only (on over 90), the model was able to predict nitrification performances and the order of magnitude and main dynamics of N2O fluxes measured during both measuring campaigns. The calibrated model was then used to extrapolate the predictions on the entire period of study, and analyze the effect of operating conditions on N2O production mechanisms. The N2O emissions factor (EF), which corresponds to the proportion of influent ammonium emitted as N2O, was on average 2.2%, which is over 60 times the factor generally applied to estimate the GES balance of WRRFs. This factor fluctuates from 0.3 to 4.4%, mainly in correlation to the applied ammonium load, airflow rates, and temperature. Based on these results, mitigation levers were identified, and a statistical model was proposed as an alternative methodology to quantify N2O emissions

Analyse et modélisation des émissions de protoxyde d'azote par les biofiltres nitrifiants tertiaires à échelle industrielle

Nitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas (GHG), playing a major role in the ozone layer depletion. Mainly from natural origin, it is also emitted by wastewater treatment processes, during biological nitrogen removal through nitrification and denitrification. Because of its high global warming potential, about 300 times the one of carbon dioxide, N2O contributes significantly to the carbon footprint of wastewater resource recovery facilities (WRRF). For the last decade, considerable efforts have been made to understand the mechanisms of N2O production and evaluate in situ emissions, which led to the development of mechanistic models. The latter have been mainly applied to suspended biomass systems, and rarely to fixed biomass processes. Yet, recent measurements performed on biologically active filters (BAF) of Seine Aval WRRF (~ 5 million people equivalents) indicated high N2O emissions, much higher than those measured on conventional activated sludge systems. The objective of this PhD thesis was to increase knowledge on the comprehension of N2O production mechanisms in tertiary nitrifying BAFs. To this end, a BAF model describing the functioning of Seine Aval tertiary nitrification units was extended to include the main biological N2O production pathways. Studying the influence of the gas/liquid transfer representation on the prediction of nitrification performances and the gas/liquid partition of N2O fluxes showed that considering a mass balance on the gas phase did not significantly affect oxygen transfer. In contrast, including a mass balance was found essential to represent gas/liquid exchanges of nitric oxide (NO) and N2O. To investigate the triggers of N2O production, the biokinetic model was calibrated on a dataset including two years of functioning of the nitrification stage and two periods during which N2O fluxes were measured. A sensitivity analysis highlighted the major effect of parameters controlling the accumulation of nitrite, a precursor to N2O production, on the prediction of N2O concentrations. By modifying 7 parameters only (on over 90), the model was able to predict nitrification performances and the order of magnitude and main dynamics of N2O fluxes measured during both measuring campaigns. The calibrated model was then used to extrapolate the predictions on the entire period of study, and analyze the effect of operating conditions on N2O production mechanisms. The N2O emissions factor (EF), which corresponds to the proportion of influent ammonium emitted as N2O, was on average 2.2%, which is over 60 times the factor generally applied to estimate the GES balance of WRRFs. This factor fluctuates from 0.3 to 4.4%, mainly in correlation to the applied ammonium load, airflow rates, and temperature. Based on these results, mitigation levers were identified, and a statistical model was proposed as an alternative methodology to quantify N2O emissions.Le protoxyde d’azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES) jouant un rôle clé dans la destruction de la couche d’ozone. Principalement d’origine naturelle, il est également émis par les procédés de traitement des eaux résiduaires lors du traitement biologique de l’azote par nitrification et dénitrification. Dû à son fort pouvoir de réchauffement global, équivalent à 300 fois celui du dioxyde de carbone, le N2O contribue significativement au bilan carbone des stations d’épuration. Depuis une dizaine d’années, des efforts ont été consacrés à la compréhension des mécanismes de production du N2O et à l’évaluation in situ de ces émissions, ce qui a conduit au développement de modèles mécanistes. Ces derniers ont, pour l’instant, principalement été appliqués aux procédés à biomasse libre et très peu aux procédés à biomasse fixée. Or, de récentes mesures réalisées sur les unités de biofiltration de la station Seine Aval (~ 5 millions d’équivalents-habitants) indiquent des taux d’émission du N2O élevés, bien supérieurs à ceux des procédés conventionnels à boues activées. L’objectif de cette thèse était d’approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents aux émissions de N2O par les unités de biofiltration en nitrification tertiaire. A cette fin, un modèle de biofiltration représentant le fonctionnement des biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval a été étendu pour y inclure les principales voies biologiques de production de N2O. L’évaluation de l’influence de la représentation du transfert gaz/liquide sur les performances de traitement de l’azote et la répartition des flux de N2O entre les phases gazeuse et liquide a montré que la prise en compte d’un bilan matière sur la phase gazeuse avait un impact relativement faible sur le transfert de matière de l’oxygène. A contrario, celle-ci s’avère indispensable à la représentation des échanges gaz/liquide du monoxyde d’azote (NO) et du N2O. Afin d’étudier les mécanismes à l’origine de la production de N2O, le modèle biocinétique a par ailleurs été calé sur un jeu de données comprenant deux ans de fonctionnement des biofiltres et incluant deux périodes pour lesquelles les flux de N2O ont été mesurés expérimentalement. Une analyse de sensibilité globale a permis d’identifier l’effet dominant des paramètres affectant l’accumulation de nitrites, un précurseur de la production de N2O, sur les concentrations de N2O. Avec une modification de seulement 7 paramètres (sur plus de 90), le modèle s’avère capable de prédire les performances de traitement de l’azote ainsi que l’ordre de grandeur et les principales dynamiques des flux de N2O mesurés lors de deux campagnes. Le modèle calé a par la suite été employé pour extrapoler les émissions sur l’ensemble de la période d’étude et analyser l’effet des conditions opératoires sur les mécanismes de production. Le facteur d’émission de N2O (FE), qui correspond à la proportion d’ammonium appliquée émise en N2O, était en moyenne de 2,2%, soit plus de 60 fois le FE usuellement employé pour l’établissement des bilans d’émission de GES des stations d’épuration. Ce facteur varie de 0,3 en 4,4%, en lien avec la charge ammoniacale appliquée, les débits d’air, et la température. Sur la base de ces résultats, des leviers de réduction des émissions ont été identifiés et un modèle statistique a été établi afin de proposer une nouvelle méthodologie de quantification des émission

Analyse et modélisation des émissions de protoxyde d'azote par les biofiltres nitrifiants tertiaires à échelle industrielle

Nitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas (GHG), playing a major role in the ozone layer depletion. Mainly from natural origin, it is also emitted by wastewater treatment processes, during biological nitrogen removal through nitrification and denitrification. Because of its high global warming potential, about 300 times the one of carbon dioxide, N2O contributes significantly to the carbon footprint of wastewater resource recovery facilities (WRRF). For the last decade, considerable efforts have been made to understand the mechanisms of N2O production and evaluate in situ emissions, which led to the development of mechanistic models. The latter have been mainly applied to suspended biomass systems, and rarely to fixed biomass processes. Yet, recent measurements performed on biologically active filters (BAF) of Seine Aval WRRF (~ 5 million people equivalents) indicated high N2O emissions, much higher than those measured on conventional activated sludge systems. The objective of this PhD thesis was to increase knowledge on the comprehension of N2O production mechanisms in tertiary nitrifying BAFs. To this end, a BAF model describing the functioning of Seine Aval tertiary nitrification units was extended to include the main biological N2O production pathways. Studying the influence of the gas/liquid transfer representation on the prediction of nitrification performances and the gas/liquid partition of N2O fluxes showed that considering a mass balance on the gas phase did not significantly affect oxygen transfer. In contrast, including a mass balance was found essential to represent gas/liquid exchanges of nitric oxide (NO) and N2O. To investigate the triggers of N2O production, the biokinetic model was calibrated on a dataset including two years of functioning of the nitrification stage and two periods during which N2O fluxes were measured. A sensitivity analysis highlighted the major effect of parameters controlling the accumulation of nitrite, a precursor to N2O production, on the prediction of N2O concentrations. By modifying 7 parameters only (on over 90), the model was able to predict nitrification performances and the order of magnitude and main dynamics of N2O fluxes measured during both measuring campaigns. The calibrated model was then used to extrapolate the predictions on the entire period of study, and analyze the effect of operating conditions on N2O production mechanisms. The N2O emissions factor (EF), which corresponds to the proportion of influent ammonium emitted as N2O, was on average 2.2%, which is over 60 times the factor generally applied to estimate the GES balance of WRRFs. This factor fluctuates from 0.3 to 4.4%, mainly in correlation to the applied ammonium load, airflow rates, and temperature. Based on these results, mitigation levers were identified, and a statistical model was proposed as an alternative methodology to quantify N2O emissions.Le protoxyde d’azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES) jouant un rôle clé dans la destruction de la couche d’ozone. Principalement d’origine naturelle, il est également émis par les procédés de traitement des eaux résiduaires lors du traitement biologique de l’azote par nitrification et dénitrification. Dû à son fort pouvoir de réchauffement global, équivalent à 300 fois celui du dioxyde de carbone, le N2O contribue significativement au bilan carbone des stations d’épuration. Depuis une dizaine d’années, des efforts ont été consacrés à la compréhension des mécanismes de production du N2O et à l’évaluation in situ de ces émissions, ce qui a conduit au développement de modèles mécanistes. Ces derniers ont, pour l’instant, principalement été appliqués aux procédés à biomasse libre et très peu aux procédés à biomasse fixée. Or, de récentes mesures réalisées sur les unités de biofiltration de la station Seine Aval (~ 5 millions d’équivalents-habitants) indiquent des taux d’émission du N2O élevés, bien supérieurs à ceux des procédés conventionnels à boues activées. L’objectif de cette thèse était d’approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents aux émissions de N2O par les unités de biofiltration en nitrification tertiaire. A cette fin, un modèle de biofiltration représentant le fonctionnement des biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval a été étendu pour y inclure les principales voies biologiques de production de N2O. L’évaluation de l’influence de la représentation du transfert gaz/liquide sur les performances de traitement de l’azote et la répartition des flux de N2O entre les phases gazeuse et liquide a montré que la prise en compte d’un bilan matière sur la phase gazeuse avait un impact relativement faible sur le transfert de matière de l’oxygène. A contrario, celle-ci s’avère indispensable à la représentation des échanges gaz/liquide du monoxyde d’azote (NO) et du N2O. Afin d’étudier les mécanismes à l’origine de la production de N2O, le modèle biocinétique a par ailleurs été calé sur un jeu de données comprenant deux ans de fonctionnement des biofiltres et incluant deux périodes pour lesquelles les flux de N2O ont été mesurés expérimentalement. Une analyse de sensibilité globale a permis d’identifier l’effet dominant des paramètres affectant l’accumulation de nitrites, un précurseur de la production de N2O, sur les concentrations de N2O. Avec une modification de seulement 7 paramètres (sur plus de 90), le modèle s’avère capable de prédire les performances de traitement de l’azote ainsi que l’ordre de grandeur et les principales dynamiques des flux de N2O mesurés lors de deux campagnes. Le modèle calé a par la suite été employé pour extrapoler les émissions sur l’ensemble de la période d’étude et analyser l’effet des conditions opératoires sur les mécanismes de production. Le facteur d’émission de N2O (FE), qui correspond à la proportion d’ammonium appliquée émise en N2O, était en moyenne de 2,2%, soit plus de 60 fois le FE usuellement employé pour l’établissement des bilans d’émission de GES des stations d’épuration. Ce facteur varie de 0,3 en 4,4%, en lien avec la charge ammoniacale appliquée, les débits d’air, et la température. Sur la base de ces résultats, des leviers de réduction des émissions ont été identifiés et un modèle statistique a été établi afin de proposer une nouvelle méthodologie de quantification des émission

Modelling the dynamic long-term performance of a full-scale digester treating sludge from an urban WRRF using an extended version of ADM1

International audienc

Analyse et modélisation des émissions de protoxyde d’azote en biofiltration

International audienc

Analyse et modélisation des émissions de protoxyde d’azote en biofiltration

International audienc

Long-term modelling of nitrous oxide emissions from full-scale nitrifying biological aerated filters

International audienc

Effect of Nano bentonite on Fire Retardant Properties of Medium density fiberboard (MDF)

In the present study, Fire – Retarding properties of nano-bentonite in medium density of fiberboard (MDF) was studied. 10% of urea-formaldehyde resin was used as the adhesive of the matrix. Nano Bentonite at 5 levels (0%, 5%, 10%, 15% and 20%) g/kg based of dry weight of fibers was used with the consumption of Urea-Formuldehyde (UF). Press pressure of 150 bar and temperature of 170during 4, 5, and 6 minutes were applied. Density was kept constant at 0.7 g/cm3 in all treatments. The measured properties consisted of mass reduction, inflammation time, fire-endurance, melting time and the burnt area. The results revealed that Nano-Bentonite had significant effect in approving fire retarding properties in medium density fiber board. The best properties at the level of 10% obtained and the same level recommended for industry use. The use of Nano-Bentonite more than 10% decreased the stickiness and the partly surface of fiberboards

Long-term modelling of nitrous oxide emissions from full-scale nitrifying biological aerated filters

International audienc