Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM : Analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut

Mathematical modelling of activated sludge systems has become a widely accepted tool and is used in particular for optimization and rehabilitation of existing plants and for new facilities design. Ensuring the adequate quality of modelling results is therefore essential. However, an international survey conducted among 96 potential users of activated sludge models (ASM) points out two main obstacles in the use of modelling: the choice of the model to use among the available models and the model calibration step. The objective of this work is to provide elements to overcome these obstacles and to promote wider use of biokinetic models for activated sludge systems. It focused on seven published models: (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold and (7) UCTPHO+. First, an analysis of practical knowledge on the models was performed to improve the transfer of modelling knowledge. A database of practical modelling applications from published case studies and from the answers of a questionnaire sent to model users was created. This database enables to establish ranges of parameter values commonly used for the ASM1 and ASM2d. Then the theoretical knowledge on ASMs was analysed to help users to better understand the seven studied models and to choose the model appropriate to their project. The studied models were first verified and typing errors and inconsistencies have been corrected. The modelling concepts were compared to each others through a new graphical representation, and confronted with knowledge about the biology of activated sludge, in order to highlight the theoretical limits of each model. Finally, a methodology has been developed to obtain default parameter sets that could be used as initial values for model calibration. To this aim, an automated calibration procedure that allows calibration on multiple data sets was proposed. Then, the quality criteria used in environmental sciences have been synthesised. These criteria are required to determine the best set of parameters based on the goodness-of-fit of the model and to compare results from different models.La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l'utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement

Modèles biocinétiques de boues activées de type ASM (analyse théorique et fonctionnelle, vers un jeu de paramètres par défaut)

La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l'utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnementMathematical modelling of activated sludge systems has become a widely accepted tool and is used in particular for optimization and rehabilitation of existing plants and for new facilities design. Ensuring the adequate quality of modelling results is therefore essential. However, an international survey conducted among 96 potential users of activated sludge models (ASM) points out two main obstacles in the use of modelling: the choice of the model to use among the available models and the model calibration step. The objective of this work is to provide elements to overcome these obstacles and to promote wider use of biokinetic models for activated sludge systems. It focused on seven published models: (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold and (7) UCTPHO+. First, an analysis of practical knowledge on the models was performed to improve the transfer of modelling knowledge. A database of practical modelling applications from published case studies and from the answers of a questionnaire sent to model users was created. This database enables to establish ranges of parameter values commonly used for the ASM1 and ASM2d. Then the theoretical knowledge on ASMs was analysed to help users to better understand the seven studied models and to choose the model appropriate to their project. The studied models were first verified and typing errors and inconsistencies have been corrected. The modelling concepts were compared to each others through a new graphical representation, and confronted with knowledge about the biology of activated sludge, in order to highlight the theoretical limits of each model. Finally, a methodology has been developed to obtain default parameter sets that could be used as initial values for model calibration. To this aim, an automated calibration procedure that allows calibration on multiple data sets was proposed. Then, the quality criteria used in environmental sciences have been synthesised. These criteria are required to determine the best set of parameters based on the goodness-of-fit of the model and to compare results from different models.PARIS-AgroParisTech Centre Paris (751052302) / SudocSudocFranceCanadaFRC

A dynamic physicochemical model for chemical phosphorus removal

International audienceA dynamic physico-chemical model for chemical phosphorus removal in wastewater is presented as a tool to optimize chemical dosing simultaneously while ensuring compliant effluent phosphorus concentration. This new model predicts the kinetic and stoichiometric variable processes of precipitation of hydrous ferric oxides (HFO), phosphates adsorption and co-precipitation. It is combined with chemical equilibrium and physical precipitation reactions in order to model observed bulk dynamics in terms of pH. The model is calibrated and validated based on previous studies and experimental data from Smith et al. (2008) and Szabo et al. (2008) as a first step for full-plant implementation. The simulation results show that the structure of the model describes adequately the mechanisms of adsorption and co-precipitation of phosphate species onto HFO and that the model is robust under various experimental conditions

Efficiency criteria for environmental model quality assessment: A review and its application to wastewater treatment

In various cases in environmental modeling, modelers need to account for multiple variables and multiple objectives in systems with many processes occurring at different time scales. To assist the modeler to choose a relevant pool of efficiency criteria, a method is proposed to identify dissimilar criteria. A total of 30 efficiency criteria used in environmental modeling are critically reviewed and classified into six groups according to different modeling objectives. After accounting for equivalence of functional form 18 criteria remain for further analysis. To quantify the dissimilarity for the remaining criteria a methodology based on the ratio of shared parameter sets in regions of good performance is proposed. Then, for a wastewater treatment plant case-study the dissimilarity of efficiency criteria is analyzed as a function of target variables and operating conditions

Recent advances in bio-P modelling – a new approach verified by full-scale observations

This paper summarizes recent developments in biological phosphorus removal modelling, with special attention to side-stream enhanced biological phosphorus removal (S2EBPR) systems on which previous models proved to be ineffective without case-by-case parameter adjustments. Through the research and experience of experts and practitioners, a new bio-kinetic model was developed including an additional group of biomass (glycogen accumulating organisms - GAOs) and new processes (such as aerobic and anoxic maintenance for PAO and GAO; enhanced denitrification processes; fermentation by PAOs which - along with PAO selection - is driven by oxidation-reduction potential (ORP)). This model successfully described various conditions in laboratory measurements and full plant data. The calibration data set is provided by Clean Water Services from Rock Creek Facility (Hillsboro, OR) including two parallel trains: conventional A2O and Westbank configurations, allowing the model to be verified on conventional and side-stream EBPR systems as well