Nitrogen removal from urban wastewater by activated sludge process operated over the conventional carbon loading rate limit at low temperature

This study deals with nitrogen removal from urban wastewater employing the activated sludge process at low temperature. It aims at determining the performances and rates of nitrification, and characterising the autotrophic biomass (concentration and kinetic parameters) at 11°C and for F/M ratios higher than the conventional maximum value of 0.1 kg BOD5kg MLVSS-1d-1w (i.e. SRT around 15 d). To reach this objective, a study of a continuous activated sludge pilot plant operated under controlled conditions was undertaken for five months. Two methods were used: A combination of nitrogen mass balance on the continuous reactor and weekly tests in a separate batch reactorThe use of the Activated Sludge Model No 1 (ASM1) calibrated and validated with 6 intensive sampling test runs in the aeration tank of the pilot plant.Once it had been demonstrated that it was not possible to predict the nitrogen concentrations with the ASM1 default values recommended at 10°C, we modified 4 parameters to correctly simulate the 6 intensive sampling test runs: the autotrophic biomass maximum growth rate values (μA, maxi = 0.22 d-1 with a decay rate value of bA = 0.02 d-1), as well as three of the half-saturation constants (KNH=0.05 mg NH4-N ℓ-1, KOH=0.05 mg O2ℓ-1, and Ks=30 mg CODℓ-1). These modifications, implemented on the basis of more accurate predictions of nitrification and denitrification rates in the aeration tank, have reduced the errors of predictions for the main biological variables in the reactor and in the treated water. The sensitivity of the estimated parameter values to the accuracy of the initialisation conditions step has also been studied. It was shown that a mistake of underestimation of the sludge concentration by 6%, compared to the experimental value, has induced the overestimation of the maximum autotrophic growth rate by 7%.Keywords: activated sludge, nitrification, reaction rates, kinetics parameters, modelling wastewater treatment plant Water SA Vol. 31(4) 2005: 503-51

Soluble microbial products and suspended solids influence in membrane fouling dynamics and interest of punctual relaxation and/or backwashing

International audienceTo favor the control of membrane fouling on line by relaxation and backwash sequencing, two major fouling origins are considered: the former is due to retention of large particles on the membrane surface forming a growing deposit that can be controlled by tangential shear stresses, the second is due to the retention of the largest soluble polymers forming a thin layer on the membrane surface including pore blocking and inducing a progressive reduction of the deposit porosity, the influence of this second fouling origin can only be reduced by backwashing. A simple model was developed to represent (i) the accumulation of two types of compounds and its consequences and the evolution with time of the hydraulic resistance of the system and (ii) the role of relaxation and backwashing to reduce the fouling impact. Some simulations were presented according to the values of the three model parameters. Simulations were also compared to experimental data obtained on biological suspensions

Influence of membrane material and module configuration on fouling control in immersed membrane bioreactors

En épuration des eaux usées, les bioréacteurs à membranes permettent d'atteindre une qualité d'eau traitée suffisante pour envisager leur réutilisation. Cependant, la maitrise du colmatage membranaire en cours d'opération reste encore un verrou pour généraliser l'utilisation de tels systèmes au regard des besoins énergétiques associés. L'enjeu scientifique réside dans l'identification des processus à l'origine de la baisse de perméabilité des membranes pour optimiser l'étape de filtration. Cette étude, réalisée dans le cadre du projet Européen AMEDEUS, entre dans cette problématique. Elle a été ciblée sur l'analyse des interactions du matériau membranaire avec la suspension biologique et sur le contrôle de l'accumulation de la biomasse au sein du module filtrant. Trois technologies membranaires ont successivement été testées sur des unités de laboratoire et en pilote semi-industriels: la membrane plane d'A3, les fibres creuses de Polymem et la membrane plane multicanaux d'Inge. Des tests de colmatage et de nettoyage ont été mis en œuvre à l'échelle du laboratoire pour étudier l'impact du matériau membranaire sur le colmatage dit irréversible (non éliminable par voies physiques). En parallèle, des tests pilote ont été réalisés afin d'améliorer la maitrise du colmatage réversible. Une caractérisation et analyse du dépôt des membranes utilisés en pilote ont été enfin effectués afin d'identifier les composés solubles accumulés à la surface des membranes. Les résultats ont montré : - un colmatage irréversible différent selon les matériaux membranaires ; - l'importance de la configuration du système de filtration pour garantir une bonne maitrise du colmatage réversible ; - une possible optimisation des paramètres hydrauliques pour garantir un fonctionnement fiable tout en réduisant l'aération membrane ; - un impact important des caractéristiques de la suspension biologique (mousses, fractions solubles et concentration) sur la dynamique de colmatage.To treat wastewater, membrane bioreactors guarantee an advanced effluent quality which can be reused. However, control of membrane fouling, which requires relative high energetic costs, remains a limiting phenomenon to generalise the use of these systems. The scientific issue resides in the identification of the processes inducing a decrease of the membrane permeability in order to optimise the filtration step. This study, performed within the framework of the European project AMEDEUS, deals with this set of problems. It points out the interactions of the membrane material with the mixed liquor and performs an analyse of the control of the biomass accumulation into the filtration module. Three different membrane technologies were successively tested on a lab and pilot scale: the A3 flat sheet membrane, the Polymem hollow fibres and the Inge Fibre Sheet membrane. Fouling and cleaning tests were developed on a lab-scale to study the impact of membrane material on irreversible fouling (not removable by physical ways). In parallel, pilot tests were performed to improve reversible fouling control. A characterisation and analysis of the membranes tested on a pilot-scale were finally carried out to identify the soluble compounds accumulated on the membrane surface. The results show: - Different type of irreversible fouling according to the membrane materials; - The importance of the filtration system design to guarantee a good control of reversible fouling; - A possible optimisation of the hydraulic parameters to guarantee a reliable operation while reducing the membrane aeration rate; - An important impact of the mixed liquor characteristics (foam, soluble fractions and concentration) on fouling behaviour.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Filtres plantes de roseaux (limites hydrauliques et rétention du phosphore)

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Etude et optimisation du fonctionnement d'une colonne airlift à dépression - Application à l'aquaculture

L'objectif de ce travail était d'étudier les trois fonctions d'une colonne airlift sous dépression qui sont le pompage, les transferts gaz-liquide et l'extraction de matières particulaires par moussage-écumage. Le champ d'application ciblé concernait principalement le traitement des eaux aquacoles incluant l'extraction et la concentration de microalgues naturelles ou de culture. Chacune des fonctions a été étudiée séparément afin d'évaluer les capacités de l'airlift dans différentes conditions. L'étude de la fonction pompage a montré l'importance de la nature de l'eau, du type de diffuseur d'air, du débit gazeux injecté et du niveau de dépression appliqué. En eau douce, une forte coalescence des bulles est observée. Elle a pour conséquence une rétention gazeuse plus faible qu'en eau de mer. Le débit d'eau fourni par la colonne apparaît ainsi supérieur en eau douce (30 à 35 m3.h-1 contre seulement 10 à 20 m3.h-1 en eau de mer pour 5 m3.h-1 d'air injecté). A l'inverse, la hauteur de refoulement disponible est plus élevée en eau de mer (jusqu'à 0.8 m) qu'en eau douce (0.6 m maximum). Pour des circuits d'aquaculture où la perte de charge est faible, l'airlift est un système de pompage économique qui permet de réduire d'environ 40 % la consommation d'énergie par rapport à celle de pompes centrifuges. La colonne airlift présente également des capacités de transferts de matière comparables à celles de systèmes conventionnels. Les valeurs de KLa calculées pour la désorption du CO2 et comprises entre 0.002 et 0.01 s-1, sont environ quatre fois inférieures à celles obtenues pour le transfert d'oxygène par aération dans des conditions comparables. Les efficacités de transfert sont comprises entre 0.02 et 0.023 Kg.KW.h-1 pour le CO2 et entre 1.52 et 1.8 Kg.KW.h-1 pour l'O2. Les vitesses de transfert dépendent significativement du débit d'air, de la température, de la taille moyenne des bulles et de la présence d'aliments dans le bassin d'élevage. Elles sont peu affectées par la salinité, le niveau de dépression, la longueur du tube interne d'échange et le débit d'eau. Enfin, les capacités de séparation par moussage-écumage évoluent de façon positive quand le débit d'air et la taille des bulles sont réduits. L'efficacité globale d'extraction diminue avec l'augmentation de la concentration des produits extraits qui peut atteindre 130 fois la concentration initiale. La colonne à dépression apparaît ainsi comme un système multifonctionnel performant, même si l'efficacité maximale, pour chacune des fonctions, correspond à des conditions opératoires différentes. Ce procédé ouvre des perspectives de développement intéressantes dans des secteurs variés (de l'aquaculture au traitement des eaux industrielles).The aim of this work was to study the three functions of a vacuum airlift, which are water pumping, mass transfer and foam fractionation. The investigations mainly focused on the treatment of fish culture water and on phytoplancton harvesting. Each function was studied separately, in order to assess the performance of the vacuum airlift with specific operating conditions. By studying the airlift pump, the effects of water and diffuser types, air injection conditions and depression level were shown. In fresh water, bubble coalescence was observed, which reduced gas holdup compared to sea water. Consequently, the water flow of the vacuum airlift appeared higher in fresh water than in sea water (30 to 35 m3.h-1 against 10 to 20 m3.h-1) for the same air flow rate (5 m3.h-1). Conversely, the available lift height was higher in sea water (up to 0.8 m) than in fresh water (0.6 m maximum). For low head aquaculture systems, the vacuum airlift may be an economical pumping system which allows a 40 % energy saving compared to centrifugal pumps. The vacuum airlift had a mass transfer efficiency similar to other gas transfer systems. The KLa values calculated for CO2 desorption ranged between 0.002 and 0.01 s-1. They were four times lower than those obtained for oxygen transfer in similar conditions. Mass transfer efficiencies ranged between 0.02 and 0.023 Kg.KW.h-1 for CO2 and between 1.52 and 1.8 Kg.KW.h-1 for O2. Mass transfer velocities significantly depended on air flow rate, water temperature, average bubble size and the presence of feed in the rearing tank. They are weakly depending on salinity, depression level, inner tube length or water flow. At last, foam fractionation increased when air flow and bubble size were reduced. The extraction efficiency decreased when the concentration of the extracted product increased (maximal concentration factor around130). The vacuum airlift appeared to be as a high-performance multifunctional system, even if the maximal efficiency for each of the functions corresponds to different operating conditions. This process could be used in a large scope of fields ranging from aquaculture to industrial water treatment.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Contribution pour le contrôle dynamique du colmatage en bioréacteur à membranes

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6. Usages de l’eau pour l’industrie

Les usages de l’eau pour l’industrie sont liés aux opérations de transformation des produits industriels. L’eau est utilisée selon quatre grandes catégories (figure 1) : comme fluide thermique (production de vapeur, chauffage et refroidissement des installations) ; comme matière première d’un processus de fabrication (bière par exemple) ; comme agent de lavage de produits et de gaz, de nettoyage d’installations et de transport de solides ; et pour les besoins des personnels travaillant sur le..

Analyse et optimisation du traitement de l'azote par les boues activées à basse température

L'objectif principal de ce travail a porté sur l'optimisation du dimensionnement et de la gestion des installations de traitement des eaux usées par boues activées fonctionnant à basse température (10-12ʿC) et soumise à une contrainte de traitement poussé sur l'azote.Dans ce but, nous avons étudié la faisabilité de la nitrification à des charges massiques stabilisées supérieures à 0.1 kgDBO5.(kgMVS.j)-1. Le fonctionnement d'une installation pilote alimentée par un effluent synthétique, puis par un effluent urbain réel, a été étudié pour différentes charges massiques stabilisées à une température de 12 et 11ʿC. Les résultats très détaillés acquis en continu sur deux périodes de six mois ont suggéré le rôle et la hiérarchie des facteurs influençant la capacité de nitrification. Ils ont permis d'adapter l'outil de simulation dynamique Activated Sludge Model nʿ1 (ASM1).La double démarche expérimentale et numérique mise en œuvre a permis de dégager les rôles des conditions de fonctionnement (âge des boues, charge volumique en azote, durée de présence d'oxygène) et des propriétés de l'effluent à traiter (ratios caractéristiques, part des différentes fractions) sur les performances de traitement de l'azote et sur la composition de la boue. Les valeurs limites des paramètres de gestion (charge massique maximale, durée d'aération journalière), permettant à différentes configurations d'installation (bassin unique, réacteur avec zone d'anoxie en tête) de respecter une concentration en azote total inférieure à 10 mgN/L dans le rejet, ont pu être dégagées. Des stratégies de gestion dans le cas de variations de flux importantes en entrée d'installation (cas des zones touristiques de montagnes) ont pu être évaluées (fonctionnement à charge massique variable par adaptation de la durée d'aération, ou bien utilisation d'un bassin d'aération à volume variable).The main objective of this work concerned the optimization of design and operation of activated sludge wastewater treatment plants operating at low temperature (10-12ʿC) while enhanced nitrogen removal is required.The feasibility of nitrification at steady F/M ratios above 0.1 kgBOD5.(kgMLVSS.d)-1 for intermittently aerated plants was investigated by an approach that combined experiments and mathematical modelling. The behaviour of a pilot plant operated under well-controlled temperature and loading conditions, and fed by synthetic influent and by real domestic wastewater was monitored. The highly detailed results collected during two periods of six months helped us to clarify the magnitude of influence of the main factors (sludge retention time, nitrogen volumetric load, daily aeration time) on nitrification capacity. The Activated Sludge Model nʿ1 was used as a dynamic simulation tool. Its parameters describing the nitrifier growth were adapted to be able to reproduce the experimental observations.This work highlighted the influence of the operating conditions (sludge age, nitrogen volumetric loading, daily aerobic time) and of the influent characteristics (typical ratios, fractions) on the nitrogen removal performance and the sludge composition. The threshold values of operating parameters (maximum F/M ratio, daily aeration time) were determined to maintain the effluent total nitrogen concentration below 10 mgN/L, for plants with a single tank and for those with a predenitrification tank. Best operation strategies were defined for plants with strong influent load variation (case of tourist resorts), by either keeping a fixed volume and increasing the F/M ratio and the aeration time, or by using a variable volume tank.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Détermination des vitesses de nitrification-dénitrification dans un bioréacteur à membranes immergées fonctionnant en aération séquencée (contrôle et optimisation du séquençage de l'aération)

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Ultrafiltration de suspensions aqueuses sur membranes immergées (influence de la configuration des modules, de l'hydrodynamique et du conditionnement des suspensions)

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