Relation between redox potential and oxygen levels in activated-sludge reactors

International audienceThe importance of dissolved oxygen level in determining the platinum electrode potential in activated sludge has been clearly demonstrated by current-potential curves plotted at different oxygen concentration. Tests have been carried out, in the laboratory and in full scale treatment plants, to define the relationship between the platinum electrode potential at equilibrium (Eh) and the dissolved oxvgen [02) concentration in the activated sIudqe. These two parameters obey a law in the form Eh = a + b log [O2]. The measured values of coefficients a and b differ widely to those found from the oxygen reduction reaction in water (a = 0.8 V at pH 7 and b = 15 mV per decade). Factors a and b mainly depend on the sludge loading, the aeration conditions and the sludge concentration. Using non-polished stationary platinum ring electrodes, the following values of a were obtained (at pH between 7 and 7.6): + 410 mV/NHE for sludge aerated for several hours without feeding, + 265 mV/NHE for over-aerated/low-loaded sludge (Cm = 0.2 kg BOD.kg MLVSS-1.day-1). Factor b would seem to lie between 55 and 65 mV when the sludge is continuously aerated without feeding. At low loads with excess aeration, it lies between 70 and 90 mV. When the medium is slightly septic at low dissolved oxygen concentrations (insufficient daily aeration time, high sludge concentration or aerators shut down for too long periods), factor b increases and can reach 200 mV. In the same way, at high loads, factor b can become 150 mV. These results demonstrate the importance of dissolved oxygen concentration in the mechanisms which determine the metal electrode potentials in activated sludge. They also illustrate the role that the electroactive species play in the process. The type and concentration of these species depend on parameters such as the sludge loading, the overall oxygen supply, the aeration sequence and the sludge concentration

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

Vers une plus grande autonomie énergétique des stations d’épuration ?

Différentes solutions techniques peuvent être mises en œuvre pour optimiser l’efficacité énergétique des stations d’épuration et valoriser l’énergie renouvelable issue du traitement des eaux usées. Cette note fait un point sur leurs avantages et leurs limites et nous présente l’exemple de la station d’épuration de Seine Aval

Recherche et ingénierie au service des acteurs de l'assainissement - Avant-propos

L'épuration des eaux usées domestiques est un point clé de la protection des milieux aquatiques. L’Union européenne, à travers la directive relative au traitement des eaux résiduaires urbaines (DERU, 1991) et la directive cadre sur l’eau (DCE, 2000), a imposé aux États membres des obligations en termes de traitement des eaux usées et de qualité des milieux aquatiques. Ces exigences ont nécessité des efforts financiers considérables dans le domaine de l’assainissement. Lire la suit

Recherche et ingénierie au service des acteurs de l'assainissement - Avant-propos

L'épuration des eaux usées domestiques est un point clé de la protection des milieux aquatiques. L’Union européenne, à travers la directive relative au traitement des eaux résiduaires urbaines (DERU, 1991) et la directive cadre sur l’eau (DCE, 2000), a imposé aux États membres des obligations en termes de traitement des eaux usées et de qualité des milieux aquatiques. Ces exigences ont nécessité des efforts financiers considérables dans le domaine de l’assainissement. Lire la suit

Vers une plus grande autonomie énergétique des stations d’épuration ? Towards greater energy autonomy of wastewater treatment plants?

Différentes solutions techniques peuvent être mises en œuvre pour optimiser l’efficacité énergétique des stations d’épuration et valoriser l’énergie renouvelable issue du traitement des eaux usées. Cette note fait un point sur leurs avantages et leurs limites et nous présente l’exemple de la station d’épuration de Seine Aval.<br>This note is a point on the issue of energy in wastewater treatment plants. The questions of minimizing energy consumption and of promoting the renewable energy from the treatment of wastewater are discussed, highlighting the advantages and limitations of different technical solutions available. An example of hedging a part of the energy needs from some renewable energy produced on site is given (case of the Seine-Aval WWTP

Modélisation de l' Hydrodynamique et du transfert d'oxygène dans les chenaux d'aération

TOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF

Bio-augmentation de l'activité nitrifiante des boues activées

La bio-augmentation des stations d épuration est parfois envisagée pour faire face à des situations transitoires au cours desquelles la capacité nitrifiante des boues activées est insuffisante pour traiter efficacement la charge reçue par l installation. Le succès de cettestratégie repose sur l activité nitrifiante de la biomasse ajoutée ainsi que sur sa capacitéd adaptation et de maintien dans les boues activées en place.L objectif de ce travail était d évaluer la possibilité d adaptation des micro-organismes d une solution commerciale nitrifiante dans une station d épuration municipale à très faible charge.Les populations nitrifiantes composant la solution étudiée ont été comparées à celles des boues activées de treize stations d épurations, échantillonnées en été et en hiver. Une démarche couplant des outils de la biologie moléculaire et du génie des procédés a été mise en oeuvre afin d analyser et de comparer ces populations selon trois axes : diversité, abondance et activité. Cette comparaison a été complétée par une expérience de bio-augmentation en réacteur fermé. D après les profils obtenus en DGGE, les communautés nitrosantes des stations d épuration à très faible charge sont généralement dominées par une même espèce appartenant au groupe Nitrosomonas oligotropha.Les biomasses nitrosantes et nitratantes ont été chacune estimées entre 0,5 et 3,5 % de la biomasse totale des boues activées par marquage FISH. La solution commerciale comporteune seule espèce nitrosante, du groupe N. europaea, qui représente 45 % de sa biomasse.Les analyses cinétiques, réalisées par suivi direct des vitesses de réaction (analyses chimiques) et/ou par respirométrie, indiquent que N. europaea adopte une stratégie de type r contrairement aux bactéries autochtones des boues activées (stratégie de type K). Ces résultats expérimentaux laissent supposer une faible capacité d adaptation de la biomasse nitrifiante de cette solution commerciale aux conditions environnementales des stationsd épuration à très faible charge. En revanche, l expérience de bio-augmentation a montré sa capacité d intégration aux flocs, et le maintien de son activité lors de son mélange à des boues activées.Bio-augmentation is sometimes proposed to cope with transient situations in wastewatertreatment plants, when the nitrifying capacity of the autochthonous biomass is insufficient totreat the nitrogen load.The success of such a strategy is conditioned by the nitrifying activity of the added biomass,its adaptation to local conditions and its residence time in the system.This work aimed at evaluating the adaptation of nitrifying microorganisms from a commercialsolution in very low loaded municipal wastewater treatment plant. Nitrifying populations ofthe studied solution were compared to those of thirteen wastewater treatment plants (activatedsludge), observed in summer and in winter. The analysis and the comparison of the biomasseswere performed using tools from two disciplines: molecular biology and processengineering. Three points were especially characterised: the diversity, abundance and activityof the biomasses. A bio-augmentation experiment performed in a batch reactor completed thecomparison. DGGE profiles showed that Ammonia Oxidising Bacteria (AOB) communities from lowloaded wastewater treatment plants are mostly dominated by the same species related to theNitrosomonas oligotropha.The abundance of ammonia oxidising bacteria and of nitrite oxidising bacteria, estimatedusing the FISH technique, was almost similar, ranging from 0.5 to 3.5 % of the total biomass.The AOB species present in the commercial solution is identified as Nitrosomonas europaea,and represents 45 % of the solution s total biomass.Kinetic analyses carried out by chemical analysis and/or by respirometry indicate that N.europaea behave as r strategist, whereas activated sludge s bacteria are K strategist. These results suggest a slight adaptation capacity of the commercial solution s nitrifyingbiomass to environmental conditions prevailing in low loaded municipal wastewater treatmentplants. On the other hand, bio-augmentation experiment showed the capacity of the addedmicroorganisms to integrate the activated sludge flocs and to maintain its activity when addedto activated sludge.PARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

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

APPLICATION DE LA MODELISATION A L'ETUDE DU TRAITEMENT DE L'AZOTE PAR BOUES ACTIVEES EN AERATION PROLONGEE (COMPARAISON DES PERFORMANCES EN TEMPS SEC ET EN TEMPS DE PLUIE)

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF