Cours de 2 jours

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Cours de 2 jours

LA MODELISATION AU SERVICE DU
TRAITEMENT DES EAUX USEES
BIOWIN – FORMATION DE 2 JOURS
WTSim SARL
15 impasse Fauré,
33000 Bordeaux, France
Tel +33(0)650 255 157 fax +33(0)825 278 900
[email protected]
Formation de 2 jours
EnviroSim Associates Ltd.
Bureau de Liaison France,
15 impasse Fauré
33000 Bordeaux, France
[email protected]
1
Note
Ce support de cours a été conçu par WTSim SARL à partir des cours proposés par EnviroSim1 Associates
Ltd. Le contenu de ce support reflète l‟interprétation que WTSim SARL et EnviroSim Associates Ltd. ont
pu faire des informations disponibles au moment de sa réalisation. Toute utilisation, référence ou décision
faite à partir de ce support par un tiers est de la responsabilité de ce dernier. WTSim SARL et EnviroSim
Associates Ltd. n‟acceptent aucune responsabilité quant à des dommages subis par un tiers et dont il serait
considéré qu‟ils résultent d‟une décision ou d‟une action basée sur le contenu de ce support
2
TABLE DES MATIERES
LA MODELISATION AU SERVICE DU TRAITEMENT DES EAUX USEES.............. 1
BIOWIN – FORMATION DE 2 JOURS ............................................................................. 1
INTRODUCTION ............................................................................................................... 7
PREMIER JOUR ...................................................................................................................................... 7
JOUR DEUX ............................................................................................................................................. 7
MODELISATION ET SIMULATION ............................................................................... 9
CONTEXTE ............................................................................................................................................. 9
OBJECTIFS ............................................................................................................................................... 9
METHODES ............................................................................................................................................. 9
LES MODELES PUBLIES .................................................................................................................... 9
LE MODELE DE BIOWIN .................................................................................................................. 9
EXEMPLE ................................................................................................................................................. 9
CAS 1 – PRISE EN MAIN DE BIOWIN ............................................................................ 11
INTRODUCTION................................................................................................................................. 11
L‟INTERFACE ET LE CHARGEMENT D‟UN FICHIER ......................................................... 11
DONNEES PHYSIQUES ET OPERATIONNELLES................................................................. 12
VERIFICATION DES DONNES DE L‟EAU USEE ................................................................... 14
CONSULTER DES INFORMATIONS ET DES RESULTATS DE SIMULATION............. 14
EFFECTUER UNE SIMULATION EN REGIME PERMANENT........................................... 14
EFFECTUER UNE SIMULATION EN REGIME DYNAMIQUE .......................................... 15
MEMORISER DES INFORMATIONS ET GENERER DES RAPPORTS ............................. 17
PERSONALISER BIOWIN ................................................................................................................. 17
CAS 2A – CONSTRUCTION D’UN SCHEMA ................................................................ 19
INTRODUCTION................................................................................................................................. 19
LE CAS D‟ETUDE 2A.......................................................................................................................... 19
AJOUTER DES ELEMENTS SUR LE TABLEAU DE DESSIN............................................... 20
REORGANISATION ET DEPLACEMENT SUR LA ZONE DE DESSIN .......................... 21
POUR CHANGER UN ELEMENT DE PLACE: ...................................................................... 21
POUR CHANGER L‟ORIENTATION VERTICALE OU HORIZONTALE D‟UN
ELEMENT : ...................................................................................................................................... 21
CONNECTER LES ELEMENTS AVEC DES CONDUITES .................................................... 21
SAISIR DES DONNEES DE DIMENSIONNEMENT ET DE GESTION ........................... 22
SPECIFIER LA/LES TEMPERATURE(S) ...................................................................................... 23
CHANGER LES PARAMETRES DU MODELE .......................................................................... 23
VERIFIER QUE DES DONNEES ONT ETE SPECIFIEES ..................................................... 23
AJOUTER DES TABLEAUX DANS L‟ALBUM............................................................................ 24
AJOUTER DES INFORMATIONS SUR LES ELEMENTS DANS LE TABLEAU ............. 26
L’ABATTEMENT DES NUTRIMENTS ......................................................................... 29
INTRODUCTION................................................................................................................................. 29
3
MODIFICATION D‟UNE ZONE DE CONTACT ANAEROBIE (AVEC TRAITEMENT
DU PHOSPHORE) ............................................................................................................................... 29
SYSTEME DE TRAITEMENT POUSSE DU PHOSPHORE .................................................... 31
NITRIFICATION POUSSEE A TEMPERATURE ELEVEE..................................................... 31
CARACTERISATION DES EAUX USEES....................................................................... 33
FRATIONNEMENT DE LA DCO ................................................................................................... 33
FRATIONNEMENT DE L‟AZOTE ................................................................................................. 33
AUTRES COMPOSES DES ERU ...................................................................................................... 33
LA SEPARATION DE PHASE .......................................................................................... 37
INTRODUCTION ................................................................................................................................. 37
LE DIMENSIONNEMENT DU CAS 3 ........................................................................................... 37
ENREGISTREMENT DES RESULTATS / MODIFICATION DE L‟ALBUM ..................... 39
AFFICHAGE DU PROFIL DE CONCENTRATIONS DANS LE CLARIFICATEUR ....... 39
AFFICHAGE D‟UN GRAPHIQUE DE “POINT D‟EQUILIBRE” .......................................... 40
SIMULATIONS EN RÉGIME PERMANENT .............................................................................. 40
SIMULATIONS EN RÉGIME DYNAMIQUE .............................................................................. 40
MODELISATION DE L’AERATION............................................................................... 43
ETUDE DE CAS : SYSTEME D’AERATION .................................................................. 43
RAPPELS ................................................................................................................................................. 43
MODELISATION DE LA PHASE GAZEUSE.............................................................................. 44
PERFORMANCES DES DIFFUSEURS ........................................................................................... 45
DIFFUSEURS FINES BULLES....................................................................................................... 46
DIFFUSEUR GROSSES BULLES .................................................................................................. 47
FRACTION DE LA PROFONDEUR EFFECTIVE POUR LA SATURATION, FED ........... 47
CAS D‟ETUDE POUR L‟AERATION.............................................................................................. 48
CAS 4 -EXERCICE DE CALAGE D’UNE STATION ...................................................... 53
OBJECTIFS ............................................................................................................................................. 53
CAS 4 – SPECIFICATIONS DU SYSTEME ET DES DONNEES .......................................... 54
CONFIGURATION DU SCHEMA DE LA STATION................................................................ 55
ETAPES DE CALAGE ......................................................................................................................... 56
SAISIE DES FRACTIONS DE L‟EAU USEE ............................................................................. 56
CALAGE DU DÉCANTEUR PRIMAIRE ................................................................................... 56
CALAGE DU CLARIFICATEUR SECONDAIRE .................................................................... 57
TAUX DE CROISSANCE DES XAOB (AOB) POUR LE CALAGE DE L‟AZOTE
AMMONIACAL EN SORTIE ....................................................................................................... 57
RESULTATS............................................................................................................................................ 58
AUTRES EXERCICES OPTIONNELS............................................................................................ 58
PARCOURS DES FONCTIONNALITES AVANCEES DE BIOWIN ............................ 63
L‟INTERFACE ....................................................................................................................................... 64
NOUVEAUX ELEMENTS DANS BIOWIN .................................................................................. 65
OPTIONS DU MODELE .................................................................................................................... 67
BILAN DE MASSE POUR UN ELEMENT SPECIFIQUE......................................................... 68
4
INFORMATIONS CINETIQUES POUR UN ELEMENT SPECIFIQUE .............................. 68
PERSONNALISATION DE BIOWIN ............................................................................................. 69
REGLAGES DU SOLVEUR NUMERIQUE .................................................................................. 69
RECHERCHE LINEAIRE DECOUPLEE. ................................................................................. 69
PARAMETRES SECURITAIRES DU SOLVEUR...................................................................... 70
AJUSTEMENT DU PAS INITIAL DU SOLVEUR RLD ......................................................... 70
SOLUTION EN REGIME PERMANENT EN DEUX ETAPES .......................................... 71
FRACTION MINERALE DE LA BIOMASSE ............................................................................... 71
DENITRIFICATION PAR AJOUT DE MATIERE ORGANIQUE. EXEMPLE AVEC
AJOUT DE METHANOL.................................................................................................. 73
CONSIDERATIONS SUR LE MODELE DANS LE CAS DE L‟AJOUT DE METHANOL
................................................................................................................................................................... 73
ATTENTES VIS A VIS DE L‟AJOUT DE METHANOL............................................................ 73
CAS D‟ETUDE : AJOUT DE METHANOL ................................................................................... 74
REPRESENTER L‟AJOUT DE METHANOL............................................................................ 75
MISE EN ROUTE DU SYSTEME ................................................................................................. 75
MODELISATION DU PH ................................................................................................ 77
INTRODUCTION................................................................................................................................. 77
EXAMPLE 1: TEST DE CHARGE MASSIQUE ÉLEVÉE (HIGHT F/M TEST) ................ 77
EXEMPLE 2 : CULTURE BIO-P ENSEMENCEE ....................................................................... 79
CAS D‟ETUDE : LA DIGESTION AEROBIE .............................................................................. 81
MODULE DE CONTROLE DE BIOWIN ...................................................................... 85
CAS D‟ETUDE : CONTROLE DE LA DIGESTION ANAEROBIE ...................................... 85
AUTRES FONCTIONNALITES DU CONTROLEUR ............................................................... 87
BIOREACTEURS A MEMBRANES................................................................................. 89
CONFIGURER UN SYSTEME BRM DANS BIOWIN ............................................................... 89
UN BRM SIMPLE .................................................................................................................................. 89
BRM AVEC ABATTEMENT DES NUTRIEMENTS .................................................................. 90
SIMULATIONS EN REGIME PERMANENT ........................................................................... 91
IMPACT DE L‟AJOUT DE CHLORURE FERRIQUE ............................................................ 92
IMPACT DES BOUCLES DE RECYCLAGE SUR LA GESTION DES SOLIDES .......... 92
MODELISATION DES BIOFILMS ................................................................................. 93
LE MODELE DE BIOFILM .............................................................................................................. 93
SYSTEME IFAS SIMPLE..................................................................................................................... 93
DIGESTION ANAEROBIE .............................................................................................. 97
INTRODUCTION................................................................................................................................. 97
DIGESTION ANAEROBIE DU GLUCOSE ................................................................................. 97
DIGESTION DES BOUES PRIMAIRES ET DES BOUES EXTRAITES .............................. 98
FERMENTATION DES BOUES PRIMAIRES............................................................................ 100
PRECIPITATION DE STRUVITE.................................................................................. 103
PRECIPITATION DE LA STRUVITE, DU HDP ET DU HAP .............................................. 103
5
PRINCIPE DE LA PRECIPITAION DE LA STRUVITE .........................................................103
CAS D‟ETUDE: FORMATION DE STRUVITE DANS ET APRES LE DIGESTEUR .....105
SYSTEMES SBR................................................................................................................ 107
LE MODULE SBR DANS BIOWIN ...............................................................................................107
CAS D‟ETUDE : SYSTEME SBR A DEUX BASSINS ................................................................108
REGLAGE DE L‟EXTRACTION POUR A=20 JOURS.........................................................109
MISE EN ROUTE DU SYSTEME ...............................................................................................109
FONCTIONNEMENT EN REGIME QUASI PERMANENT .............................................110
SYSTEMES DE CHENAUX D’EPURATION ................................................................ 111
INTRODUCTION ...............................................................................................................................111
CONFIGURATION D‟UN SYTEME DE CHENAL D‟EPURATION ..................................111
TAUX DE RECIRCULATION DANS LE CHENAL .................................................................112
CAS D‟ETUDE: NIT/DENIT SIMULTANEES DANS UN CHENAL D‟EPURATION..113
CAS D‟ETUDE: CHENAL D‟EPURAITON AVEC TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES
NUTRIMENTS ....................................................................................................................................115
PRECIPITATION CHIMIQUE DU PHOSPHORE...................................................... 117
CONSIDERATIONS SUR LE MODELE ......................................................................................117
CAS D‟ETUDE: AJOUT DE FER....................................................................................................118
TRAITEMENT DES RETOURS EN TETE (RETOURS DE DIGESTEUR) ............. 121
GENERALITES ...................................................................................................................................121
EXEMPLES INCLUS DANS BIOWIN ..........................................................................................122
CAS D‟ETUDE .....................................................................................................................................123
ANNEXES ......................................................................................................................... 125
PRESENTATIONS ..............................................................................................................................125
6
INTRODUCTION
PREMIER JOUR
La première journée de formation est conçue sous la forme d‟exercices d‟application de BioWin à
destination des ingénieurs. Il est considéré que la majorité des participants ont déjà une expérience de
« BioWin » ; l‟objectif premier est donc de confirmer la connaissance du logiciel BioWin. Cet objectif
sera atteint grâce à différents cas d‟étude portant aussi sur bien sur l‟application de procédés que sur des
questions de dimensionnement et de gestion. Les cas d‟étude et les présentations PowerPoint rassemblés
dans le support de formation abordent les sujets suivants :

Principes généraux de la modélisation et de la simulation

La prise en main de BioWin

La construction d‟un schéma avec BioWin

La caractérisation des eaux usées

Le traitement des nutriments
JOUR DEUX
L‟objectif principal du deuxième jour est de mettre en lumière les fonctionnalités avancées de BioWin à
travers des présentations et des discussions sur différents cas d‟études et sujets complexes. Il est donc
considéré que les participants sont déjà familiers avec BioWin.
Les sujets suivants sont abordés, notamment avec des cas d‟étude :

La séparation de phases

Parcours des fonctionnalités avancées de BioWin

La modélisation de l‟aération

Le calage d‟un schéma

Les fonctionnalités avancées de BioWin
Les sujets suivants sont optionnels et pourront remplacer ou compléter les sujets du jour 2 selon le choix
des participants et l‟avancement du cours :

Dénitrification par ajout de matière organique. Exemple avec ajout de méthanol

La modélisation du pH

Les bioréacteurs à membrane (BRM)

La modélisation des biofilms (nitrification poussée avec le système « IFAS »)

La digestion anaérobie
7
8

La précipitation de struvite

Les systèmes SBR (bassin unique)

Les chenaux d‟épuration

La précipitation chimique du phosphore

Le traitement des effluents concentrés (retours de digesteur)
MODELISATION ET
SIMULATION
Voir présentation en annexe
CONTEXTE
OBJECTIFS
METHODES
LES MODELES PUBLIES
LE MODELE DE BIOWIN
EXEMPLE
9
10
CAS 1 – PRISE EN MAIN DE
BIOWIN
INTRODUCTION
Cette étape de familiarisation avec le logiciel présente plusieurs fonctionnalités/aspects de BioWin,
comme : l‟interface, le chargement d‟un fichier de configuration de BioWin, la spécification de données
pour la configuration d‟un élément, et la réalisation de simulations en régimes permanent et dynamique.
L‟INTERFACE ET LE CHARGEMENT D‟UN
FICHIER
Démarrer BioWin et observer la fenêtre de simulation principale. Tous les travaux de simulation sont
effectués à partir de celle-ci. L‟interface est composée de menus, de barres d‟outils, d‟un tableau de dessin,
de panneaux d‟informations et d‟une barre de statut. Pour une description plus approfondie, consulter le
chapitre « Fenêtre de simulation principale ». A ce niveau, seul un parcours rapide est proposé.
1. A partir du menu Fichier, cliquer sur Ouvrir et sélectionner le fichier Un Exemple depuis le
répertoire DATA de BioWin. L‟affichage sera similaire à celui présenté ci-dessous :
FIGURE 1. LA CONFIGURATION EXEMPLE.
11
2. Déplacer le curseur au dessus de la barre d‟outils. La définition des
éléments apparait lorsque la souris est maintenue au-dessus. L‟outil
Sélectionner/Déplacer/Modifier l‟élément doit être enfoncé (càd
actif) pour poursuivre.
Outil de sélection des
élements
3. Une barre de statut au pied de la fenêtre affiche différentes
informations.
4. Déplacer le curseur à travers le panneau de dessin. Ce dernier se
transforme en main lorsqu‟un élément du panneau de dessin est
survolé. S‟il est arrêté au-dessus d‟un élément, les informations
concernant cet élément sont affichées dans les deux panneaux en
dessous de la zone de dessin – les données physiques apparaissent dans
le panneau de gauche et les performances sont affichées dans celui de
droite. Cette fonction vous permet d‟avoir un aperçu rapide de l‟état du
système.
Curseur de sélection
5. Déplacer le curseur au dessus d‟un élément et cliquer sur le bouton
droit de la souris. Un menu local s‟affiche [Ne pas sélectionner d‟option
pour l‟instant]. Ainsi vous pouvez accéder à différentes types d‟options
pour un élément (voir ci-dessous).
Astuce: Une règle générale dans BioWin… cliquer sur le bouton droit de la souris peut souvent aider!
DONNEES PHYSIQUES ET OPERATIONNELLES
1. Déplacer le curseur au-dessus de l‟élément Bassin d’aération (un bioréacteur aéré parfaitement
mélangé) et double cliquer – ou faire un clic droit sur l‟élément – puis sélectionner la commande
Propriétés. Une boîte de dialogue avec onglets apparaît (voir ci-dessous). Celle-ci présente toutes
les données physiques et opérationnelles de cet élément. Observer les informations des onglets
Dimensions et Fonctionnement [Ne pas changer les informations maintenant. Un
dimensionnement du bassin d‟aération avec une concentration contrôlée en oxygène dissous avec
une valeur cible de 2 mg/L sera accepté].
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FIGURE 2. ONGLET DIMENSIONS DU BASSIN D’AERATION.
FIGURE 3. ONGLET FONCTIONNEMENT DU BASSIN D’AERATION.
2. Maintenant, essayer de double-cliquer sur les autres éléments et observer leur configuration.
3. Cliquer sur un élément et garder le bouton gauche de la souris enfoncé. Il est ainsi possible de
déplacer l‟élément à une nouvelle place et donc de réarranger le schéma.
Astuce: Essayer de faire un clic droit sur la “flèche” d’un tuyau et sélectionner le menu Propriétés. Il y a
plusieurs options qui permettent de modifier l’aspect de la conduite.
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VERIFICATION DES DONNES DE L‟EAU USEE
1. Double-cliquer sur l‟élément Eau Usée, puis cliquer sur le bouton Modifier les données. [A ce
stade les données ne seront pas changées].
Astuce: Lors de la consultation des données de l’eau d’entrée, pointer le curseur sur l’entête d’une colonne et
faire un clic-droit. Il y a plusieurs options pour la saisie et la manipulation des données.
2. Fermer la boîte de dialogue.
Astuce: Le panneau en bas à droite affiche les concentrations moyennes de l’eau usée.
CONSULTER DES INFORMATIONS ET DES
RESULTATS DE SIMULATION
Les panneaux en dessous de la zone de dessin proposent seulement une sélection des informations sur le
système. Des informations complètes sont obtenues grâce aux deux outils suivants : l‟Explorateur et
l‟Album.
1. Sélectionner l‟Explorateur à partir du menu Affichage – ou cliquer sur
le bouton Explorateur sur la barre d‟outils – ou appuyer sur Ctrl + E.
Ceci ouvre l‟Explorateur – un système d‟information sous forme
d‟arbre.
Le bouton Explorateur
2. Tester le déroulement des différents niveaux d‟arborescence. Astuce :
Essayer de double-cliquer sur le nom d‟un élément ou sur un paramètre
dans le panneau de droite.
3. Sélectionner l‟Album à partir du menu Affichage – ou cliquer sur le
bouton Album sur la barre d‟outils – ou appuyer sur Ctrl + A. Ceci
ouvre l‟Album. Il contient des informations mises en forme par
l‟utilisateur, des éléments d‟information pré-formatés et des graphiques.
L‟Album peut contenir un grand nombre de pages (onglets) et
d‟informations.
Le bouton Album
4. Cliquer sur le nom des pages (onglets) pour observer différents
exemples. Astuce : Essayer de cliquer sur le bouton droit de la souris à
différents endroits des pages de l‟Album (également sur le nom des
onglets/pages).
5. Sélectionner Ajouter une page à partir du Menu Album, et choisissez
une mise en page. Après avoir ajouté une page, cliquer sur le bouton
droit de la souris sur le panneau blanc… tester les différentes options !
Des difficultés peuvent arriver à cette étape – des informations
complémentaires seront données plus tard.
EFFECTUER UNE SIMULATION EN REGIME
PERMANENT
Les simulations en régime permanent sont une solution efficace pour les systèmes basés sur une charge
entrante moyenne et sur des moyennes temporelles pour ce qui concerne les données de fonctionnement
telles qu‟une valeur cible de concentration en oxygène dissous dans un bassin d‟aération.
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1. Sélectionner la commande Simulation en régime permanent dans le
menu Simulation – ou cliquer sur le bouton Simulation en régime
permanent dans la barre d‟outils. La boîte de dialogue “Analyse en
régime permanent” est ainsi ouverte. Astuce : si cette boîte est déplacée
par l‟utilisateur à un endroit précis de l‟écran, elle apparaitra à nouveau
à cet endroit à sa prochaine ouverture.
Bouton Régime Permanent
2. Appuyer sur le bouton “Démarrer”. Une boîte de dialogue apparaît
lorsque BioWin a trouvé une solution.
FIGURE 4. BOITE DE DIALOGUE REGIME PERMANENT.
Note: La plus part des solutions en régime permanent sont trouvées avec environ dix itérations. Dans des
circonstances inhabituelles le solveur peut se « bloquer » - càd que l’erreur n’évolue plus d’une itération à l’autre.
Dans ce cas appuyer sur le bouton « Arrêt ». Souvent cela indique une difficulté avec les données d’eau usée
notamment une déficience en nutriments (ou une déficience en alcalinité dans un digesteur aérobie par exemple).
D’autre par il est aussi possible d’avoir un système « difficile à résoudre ». Une astuce est de tenter une
simulation avec les paramètres « sécuritaires » de résolution. Pour le faire, cliquer sur Projet>Option du projet
actif>Paramètres numériques (onglet) puis cliquer sur Options dans la rubrique Solveur en régime
permanent. Au pied de la boîte de dialogue qui s’ouvre se trouve un grand bouton qui peut être cliqué pour
appliquer les paramètres « sécuritaires » du solveur (voir Option du Solveur en Régime Permanent dans le
chapitre Gestion de Projets).
EFFECTUER UNE SIMULATION EN REGIME
DYNAMIQUE
Les simulations en régime permanent expriment la réponse temporelle d‟un système à une charge et/ou un
débit d‟entrée variable dans le temps (et à tout autre paramètres opérationnel pouvant évoluer dans le
temps, comme une consigne en oxygène dissous dans un bassin d‟aération).
1. Sélectionner la commande Simulation en régime dynamique dans le
menu Simulation – ou cliquer sur le bouton Simulation en régime
dynamique dans la barre d‟outils.
Bouton Régime Dynamique
2. Cliquer sur le bouton “Démarrer”. Cela ouvre une boîte de dialogue
avec différentes options, notamment la durée de la simulation. Cliquer
sur “Démarrer” pour lancer la simulation dynamique.
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Bouton Démarrer
FIGURE 5. BOITE DE DIALOGUE REGIME DYNAMIQUE.
FIGURE 6. THE BOITE DE DIALOGUE « OPTION » REGIME DYNAMIQUE.
Note: Même si vous n’êtes intéressés que par la réponse dynamique du système, il est généralement utile
d’obtenir préalablement une solution en régime permanent pour pouvoir ensuite effectuer une simulation en
régime dynamique avec l’option “valeurs actuelles” pour les conditions initiales.
Note: Dans l’Album, un graphique dynamique basé sur 24h peut rester blanc ou ne pas afficher l’évolution que
vous attendez. Il est alors sans doute nécessaire de changer l’échelle de l’axe du temps en fonction de la date de
début de simulation qui a été spécifiée.
16
MEMORISER DES INFORMATIONS ET GENERER
DES RAPPORTS
BioWin offre de nombreuses fonctionnalités pour aider à la rédaction de
rapports professionnels attractifs, notamment un éditeur de notes intégré (voir
ci-dessous) pour mémoriser des informations sur les projets. Pour accéder à cet
éditeur cliquer sur Projet>Notes ou en cliquant sur le bouton « Notes ». Il est
également très facile d‟obtenir les résultats de simulation de BioWin directement
dans un éditeur ou un tableur externe. Les graphiques, les tableaux et la zone de
dessins du schéma peuvent être copiés/collés dans un rapport. Les tableaux
peuvent être exportés sous forme de texte tabulé.
Bouton “Notes”
FIGURE 7. EDITEUR INTERNE DE BIOWIN.
PERSONALISER BIOWIN
Il y a de nombreux éléments et fonctionnalités de BioWin qui peuvent être personnalisés et avoir l‟aspect
désiré. Lorsque BioWin est « personnalisé », ce sont particulièrement les paramètres par défaut de
l‟environnement de travail qui sont modifiés, ainsi tout nouveau projet bénéficie de ces nouveaux
paramètres. Cette fonctionnalité est accessible depuis le menu Projet>Options des nouveaux projets.
Une description détaillée des fonctionnalités de la boîte de dialogue correspondant à ce menu est proposée
dans le chapitre « Personnalisation de BioWin ».
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FIGURE 8. BEAUCOUP D’OPTIONS DE BIOWIN PEUT ETRE PERSONNALISE.
La commande Outils>Personnaliser permet de définir la configuration “par défaut” lorsqu‟un nouveau
projet est ouvert, comme par exemple le choix des répertoires de travail. Des options générales peuvent
également être sectionnées le menu Projet>Options des nouveaux projets, comme par exemple le
système d‟unité. Ces préférences peuvent être modifiées ponctuellement pour un projet à travers le menu
Projet>Options du projet actif.
Les options d‟un projet sont enregistrées dans le fichier spécifique du projet. Elles sont donc conservées
quelque soit la copie de BioWin avec laquelle vous ouvrez ce projet et restent prioritaires par rapport aux
options « par défaut » de la copie de BioWin utilisée.
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CAS 2A – CONSTRUCTION
D‟UN SCHEMA
INTRODUCTION
Ce cas d‟étude montre comment construire un nouveau schéma et comment ajouter des tableaux dans
l‟Album. Les différents thèmes abordés couvrent : la configuration de BioWin, déplacer et raccorder des
éléments sur la zone de dessin, la saisie de données pour un élément, la modification des paramètres d‟un
modèle, et la mise en place de tableaux pour afficher les résultats de simulation.
LE CAS D‟ETUDE 2A
Une STEP d‟une ville des Etats-Unis a un système de nitrification/dénitrification – une configuration
modifiée du principe Ludzack Ettinger. L‟abattement du phosphore est réalisé par un traitement tertiaire
de précipitation chimique. Les clients font face à un problème à l‟étage tertiaire. Notre objectif est donc
d‟observer la possibilité d‟un traitement biologique du phosphore avec les bassins existants. Le système a
les caractéristiques suivantes :
TABLEAU 1. CAS D’ETUDE 2A.
Réacteurs non aérés:
Quatre (chacun 3785 m3)
Profondeur = 3.7 m
Non aéré
Réacteurs aérés:
Deux (chacun 28386 m3)
Profondeur = 3.7 m
O2 = 2 mg/L
Clarificateur (Idéal):
Surface = 11427 m2
Profondeur = 4.3 m
Eau usée:
Débit moy = 333116 m3/d
DCO = 246 mg/L
NTK = 24 mgN/L
PT = 5.4 mgP/L
MMS = 15 mg/L
Alcalinité = 6 mmol/L
Fractions de l’eau usée:
fBS = 0.12 (FS)
fUP = 0.10 (fXI)
fUS = 0.07 (fSI)
fNA = 0.75 (fsnh)
Recyclage boue:
166558 m3/d (50%)
Retour Liqueurs Mixtes:
391498 m3/d (300%)
Taux d’extraction:
8276 m3/j (constant)
Température:
18°C
Vitesse de nitrifcation
(AOBs):
0.8 /d
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FIGURE 1. CONFIGURATION DU CAS D’ETUDE 2A.
AJOUTER DES ELEMENTS SUR LE TABLEAU DE
DESSIN.
Note: Lors de la construction d’un schéma, attention à ne pas confondre les mélangeurs et les séparateurs.
Note: Dans ce cas d’étude nous allons utiliser un clarificateur idéal. Le Cas 1 utilise un modèle de décantation.
1. Démarrer BioWin et vérifier le système d‟unité via Projet|Options
du projet actif.
2. Ajouter chaque élément du schéma comme indiqué sur la figure audessus. [Les connexions des tuyaux seront faites ensuite]. Répéter les
trois étapes suivantes au fur et à mesure de la construction du schéma
sur le tableau de dessin:
20

Cliquer sur le bouton correspondant à l‟élément désiré dans la barre de
configuration.

Déplacer le curseur sur le tableau de dessin : ce dernier est transformé
en « curseur de placement d‟élément ». Cliquer sur la zone de dessin à
l‟endroit où l‟on veut placer l‟élément.

Changer les noms des éléments pour correspondre au schéma proposé
ci-dessus. (càd . Eau Usée, Zone #1, Zone #2,.Zone #3, Zone #4,
Aérobie #1, Aérobie #2, Clarificateur, Eau usée, Boues). Faire un clicdroit et sélectionner la commande Nom… dans le menu.
Curseur de placement des
éléments
Note: Aucun nom n’apparaît pour les mélangeurs, les séparateurs et le clarificateur sur le schéma ci-dessus. Cela
correspond à un choix personnalisable de BioWin qui se fait dans l’onglet Général du menu
Outils>Personnaliser.
Note: Votre schéma peut s’étendre au-delà de la partie visible du panneau de dessin. L’échelle du panneau de
dessin peut être modifiée à partir du menu déroulant de la barre d’outils.
Note: Cette configuration inclut un mélangeur pour le recyclage des boues en tête. Cependant il n’est pas
forcément nécessaire de mettre ce mélangeur puisque plusieurs tuyaux peuvent être connectés à l’entrée d’un
bioréacteur.
REORGANISATION ET DEPLACEMENT SUR LA
ZONE DE DESSIN
Pour changer un élément de place:
1. Cliquer sur l‟outil de sélection d‟un élément à partir de la barre d‟outils
Schéma.
Outil de sélection d’un
élément
2. Placer le curseur au-dessus de l‟élément qui doit être déplacé sur la zone
de dessin.
3. Cliquer sur l‟élément et le déplacer en maintenant le bouton enfoncé.
Note: Il est également possible déplacer plusieurs éléments simultanément. Pour cela, sélectionner le groupe
d’éléments qui doit être déplacé, cliquer sur l’un d’eux et déplacer tout le groupe en gardant le bouton enfoncé
jusqu’à l’endroit souhaité.
Pour changer l‟orientation verticale ou horizontale d‟un élément :
1. Cliquer sur l‟outil de sélection d‟un élément à partir de la barre d‟outils Schéma.
2. Faire un clic-droit sur l‟élément et choisir Retourner Horizontalement ou Retourner
verticalement à partir du menu qui apparaît (cette dernière option n‟est disponible que sur des
éléments tels que les séparateurs ou les mélangeurs).
CONNECTER LES ELEMENTS AVEC DES
CONDUITES
21
1. Cliquer sur l‟outil “conduite” à partir de la barre d‟outils Schéma.
2. Lorsque le curseur est placé sur la zone de dessin, il se transforme en
curseur “début de conduite”.
Outil conduite
début de conduite
3. Placer le curseur par au-dessus de l‟élément d‟où la conduite doit
débuter.
4. Si la situation du curseur est convenable, le curseur se transforme en
début de conduite “ok”.
5. Si la situation du curseur n‟est pas convenable, le symbole “conduite
non autorisée” apparaît.
6. Cliquer une fois sur le bouton gauche de la souris et déplacer le curseur
jusqu‟à l‟élément où doit se terminer la conduite et cliquer à nouveau
sur le bouton gauche.
7. Lorsque que la conduite est déplacée vers l‟élément qui doit la terminer,
le curseur prend la forme du symbole “fin de conduite”.
8. Si la position de la terminaison de la conduite est convenable, le curseur
restera affiché.
début de conduite
"OK"
Conduite non
autorisée
Curseur de fin de
conduite
9. Si la position n‟est pas convenable le curseur prendra la forme du
symbole “conduite non autorisée”.
10. Répéter les étapes 3 à 9 jusqu‟à ce que tous éléments soient connectés
par des conduites.
Note: Pour réorganiser la position des conduites, cliquer une fois sur la flèche de tête d’une conduite. Plusieurs
cercles apparaissent au long de la conduite. Essayer de les déplacer avec la souris. C’est une fonctionnalité
importante pour organiser un schéma.
Note: Essayer de faire un clic droit sur la flèche d’une conduite, et observer les propriétés. Diverses options
permettent de modifier l’aspect de la conduite.
SAISIR DES DONNEES DE DIMENSIONNEMENT
ET DE GESTION
Nous souhaitons maintenant entrer toutes les données physiques et opérationnelles présentées plus tôt.
Chaque élément (mis à part l‟eau usée et les effluents) nécessite des données physiques qui sont disponibles
sous la forme Volume/Profondeur ou Aire/Profondeur. Les données opérationnelles dépendent du
type d‟élément. Par exemple, des unités telles que les bioréacteurs nécessitent des informations sur
l‟aération et les niveaux d‟oxygène dissous alors que des unités telles que les séparateurs et les clarificateurs
nécessitent des informations sur la répartition des débits.
Note: Il y a plusieurs options pour saisir les données opérationnelles des unités d’un schéma dans BioWin. Avec
la méthode énoncée nous ne pouvons accéder qu’à un nombre réduit d’options. Des informations plus complètes
sur ces différentes options applicables à chaque type d’unité sont données dans le chapitre « Type d’éléments ».
22
Pour saisir les données de chaque élément :
1. Faire un double clic sur l‟élément – ou un clic droit et sélectionner Propriétés. Saisir les
informations à partir de la méthodologie proposée plus tôt.
2. Pour l‟élément Eau usée (Influent), spécifier le type Constant. Dans ce cas, seuls les résultats en
régime permanent seront étudiés.
Une fois terminé, utiliser la commande Fichier>Enregistrer sous… - ou
cliquer sur le bouton “enregistrer” de la barre d‟outils – pour sauvegarder le
schéma sous le nom “Cas 2A” dans le répertoire Data/Cours.
Bouton enregistrer
Note: Mélangeur et séparateurs peuvent être définis sans dimension, c’est à dire sans volume. Cette option est
préférable à celle d’utiliser de très faibles volumes (en comparaison des bassins) car ils peuvent entrainer un
ralentissement fort des simulations dynamiques.
SPECIFIER LA/LES TEMPERATURE(S)
Spécifier une température globale pour le projet (18°C) via le menu Projet>Température….
Note: Il est possible de spécifier une température locale pour chaque unité. Par exemple observer l’onglet
Fonctionnement dans la boîte de dialogue d’un bioréacteur.
CHANGER LES PARAMETRES DU MODELE
Dans cet exemple nous devons spécifier un taux de croissance maximum pour les bactéries nitrifiantes à
20°C de 0.8/jour. Tous les paramètres du modèle dans ce projet peuvent être consultés et modifiés à partir
du menu Projet>Paramètres… . Dans notre cas, nous souhaitons accéder au menu Cinétiques et
modifier MuMax pour les nitrifiantes de la valeur par défaut (0.9/j) à 0.8/j.
Note: Pour de nombreux éléments des paramètres locaux peuvent être spécifiés. Par exemple, voir l’onglet
Fonctionnement dans la boîte de dialogue d’un bioréacteur et observer l’option à cocher Paramètres cinétiques
locaux.
VERIFIER QUE DES DONNEES ONT ETE
SPECIFIEES
Avant de démarrer une simulation avec BioWin, il faut vérifier que les données ont été saisies pour chaque
élément.
1. Sélectionner Vérification des données de simulation partir du menu
Simulation – ou cliquer sur le bouton vérification des données de la
barre d‟outils. Une boîte de dialogue s‟affiche avec une liste d‟éléments
pour lesquels les données n‟ont pas été saisies et/ou qui n‟ont pas les
connexions (conduites) nécessaires.
Bouton vérification des
données
Note: Même si l’étape de vérification des données est oubliée, BioWin lance un rappel si des données sont
manquantes. Pour certaines données, comme celles des mélangeurs, il peut apparaître non nécessaire de les
vérifier puisque les données par défaut sont généralement acceptées.
23
AJOUTER DES TABLEAUX DANS L‟ALBUM
La configuration du schéma est maintenant complète. Nous souhaitons alors ajouter un tableau dans
l‟Album. Il s‟agit donc de définir un tableau similaire à celui montré ci-dessous sur la Page 1 de l‟Album.
Les lignes correspondent à l‟Eau usée, tous les bioréacteurs (Zone & Aérobie), l‟Eau Traitée et les Boues
extraites et les colonnes correspondent au composés suivants : NH3-N, NO2-N, NO3-N, PO4-P soluble,
MMS, MVS and MES.
FIGURE 2. TABLEAU DU CAS D’ETUDE 2A.
1. Sélectionner Album à partir du menu Affichage – Ou cliquer sur le
bouton Album de la barre d‟outils – ou appuyer sur Ctrl+A. Ceci
ouvre l‟Album qui est actuellement blanc.
Bouton Album
2. Sélectionner Ajouter une page à partir du menu Album et cliquer OK.
3. Faire clic-droit sur la page de l‟Album.
4. Sélectionner Tableau dans menu qui apparaît.
24
FIGURE 3. BOITE DE DIALOGUE POUR LA SELECTION DES ELEMENTS DU TABLEAU.
5. Une boîte de dialogue s‟ouvre avec l‟onglet Choisir des éléments. A partir de l‟arbre de la fenêtre
Eléments disponibles, sélectionner les éléments que vous souhaitez inclure dans le tableau.
6. Pour inclure tous les éléments d‟un groupe (par exemple tous les bioréacteurs), cliquer sur la racine
du groupe puis sur la flèche pointant vers la droite entre la fenêtre Eléments disponibles et la
fenêtre Eléments sélectionnés.
7. Pour n‟inclure que certains éléments d‟un groupe, cliquer sur le signe plus à côté de la racine de ce
groupe pour étendre l‟arbre. Cliquer ensuite sur l‟élément spécifique qui est à inclure puis sur la
flèche pointant vers la droite entre la fenêtre Eléments disponibles et la fenêtre Eléments
sélectionnés.
8. Pour changer l‟ordre des éléments dans la fenêtre Eléments sélectionnés (c‟est à dire l‟ordre
dans lequel ils apparaîtront dans le tableau), déplacer les éléments à partir des flèches haut et bas
sur le côté droit de la fenêtre.
9. Cliquer ensuite sur l‟onglet Choisir des composés. Dans la fenêtre Composés, sélectionner les
composés qui doivent apparaître dans le tableau et les ajouter dans la fenêtre Composés
sélectionnés en cliquant sur la flèche pointant vers la droite. Pour sélectionner plusieurs
composés à la fois :
10. Sélectionner plusieurs composés contigus en cliquant sur le premier, en maintenant le bouton Shift
enfoncé et en cliquant sur le dernier composé à sélectionner. Pour des composés non contigus,
maintenir le bouton Ctrl enfoncé et sélectionner chaque composé en cliquant dessus. Dans chaque
cas terminer la sélection en cliquant sur la flèche pointant vers la droite.
25
FIGURE 4. BOITE DE DIALOGUE POUR LA SELECTION DES COMPOSES DU TABLEAU.
11. Pour ajouter plusieurs fois un certain composé, cocher la case Doublons autorisés, et ré-ajouter
ces composés.
12. Cliquer Ok pour finir.
Note: L’ordre des colonnes et des lignes peut être modifié très facilement à partir du tableau. Faire clic-droit sur
le tableau, sélectionner Modifier le tableau et utiliser les flèches haut/bas.
Note: Essayer de cliquer sur le bouton droit de la souris à différents endroits des pages de l’Album (notamment
les onglets du bas – les noms des onglets peuvent être changés).
Note: Déplacer le curseur au-dessus des éléments sur la zone de dessin permet d’obtenir un aperçu rapide des
données dans les panneaux en dessous de la zone de dessin.
AJOUTER DES INFORMATIONS SUR LES
ELEMENTS DANS LE TABLEAU
La section précédente a permis de montrer la mise en place d‟un tableau dans l‟Album. Il est aussi possible
d‟ajouter des informations pré-formatées et spécifiques à un élément dans l‟Album. Ajoutons par exemple
des informations sur le dernier bioréacteur aéré (Aérobie #2) sur la page 2 et sur le clarificateur sur une
nouvelle page de l‟Album.
26
Nous allons le faire avec deux méthodes différentes.
1. Sélectionner Album à partir du menu Affichage – ou cliquer sur le
bouton Album dans la barre d‟outils – ou appuyer sur Ctrl+A
Bouton Album
2. Sélectionner Ajouter une page à partir du menu Album et cliquer sur
OK.
3. Faire un clic-droit sur la page de l‟Album.
4. Sélectionner Infos Elément dans le menu qui apparaît.
5. Sélectionner Aérobie #2 dans la liste déroulante des éléments et
sélectionner Vue des variables composés dans la rubrique type de
vue.
Nous allons Ajouter une page pour le clarificateur avec une autre méthode.
1. Fermer l‟Album, et déplacer le curseur au dessus du clarificateur dans le
panneau de dessin.
2. Faire un clic-droit et sélectionner Ajouter à l’Album>Infos Elément
(var. composites).
3. Sélectionner Album à partir du menu Affichage – ou cliquer sur le
bouton Album dans la barre d‟outils – ou appuyer sur Ctrl+A. Le
nouveau tableau apparaît comme un nouvelle page dans l‟Album.
Bouton Album
Note: Les tableaux de variables composites diffèrent selon le type d’élément. Par exemple, nous pouvons
observer un débit de débordement pour un clarificateur et un taux de consommation de l’oxygène pour un
bioréacteur. Pour plus de détails, parcourir la rubrique sur l’Affichage des Informations sur un Elément dans
l’Album dans le chapitre « L’Album dans BioWin ».
27
28
L‟ABATTEMENT DES
NUTRIMENTS
INTRODUCTION
Ce cas montre une application de BioWin avec le système construit pour le Cas 2A. Cette application inclut
la problématique du traitement du phosphore avec une zone de contact, l‟abattement du phosphore, et la
nitrification poussée à température élevée.
MODIFICATION D‟UNE ZONE DE CONTACT
ANAEROBIE (AVEC TRAITEMENT DU
PHOSPHORE)
29
1. Si BioWin a été redémarré, ouvrir le fichier Cas 2 avec la commande
Fichier|Ouvrir… - ou cliquez sur le bouton Ouvrir de la barre
d‟outils – ou utiliser le raccourci CTRL+O.
Bouton Ouvrir
2. Le tableau ci-dessous servira à l‟enregistrement des résultats :
TABLEAU 1. MODIFICATION DE LA ZONE DE CONTACT ANAEROBIE.
Temp
Xaob
µMAX
% Liqueurs
Mixtes
Age de
boue
Effluent N
Ammoniacal
Nitrites
Effluent
Nitrates
Effluent
PO4-P
Effluent
3. Réaliser une simulation en régime permanent. Reporter les résultats dans le tableau en observant
les performances de nitrification, dénitrification et de traitement du phosphore.
4. L‟âge de boue doit également être enregistré. Cliquer sur Projet|Age de boue actif … - Ou
cliquer sur le bouton Age de boue actif de la barre d‟outils. Cet âge de boue peut avoir un nom
(pour pouvoir le distinguer d‟autres âges de boue observés dans différents scénarios, par exemple
en incluant la masse de boue présente dans le décanteur). A partir du bouton Sélection des
éléments pour la masse de boue tot. …, ajouter tout les réacteurs biologiques. Cliquer ensuite
sur Sélection des éléments pour l’extraction … et dérouler le menu Boue pour sélectionner
l‟élément Extraction (Wastage). L‟âge de boue (A) apparaîtra ainsi dans la barre de statut en bas
de l‟écran.
5. Discuter les options possibles pour réaliser un traitement biologique du phosphore avec le
dimensionnement existant des ouvrages.
6. Essayer de réduire le taux de recyclage des liqueurs mixtes (à zéro).
Note: En spécifiant les éléments d’extraction pour le calcul de l’âge de boue nous avons sélectionné l’élément
Boue. Il aurait également été possible de sélectionner le flux latéral du répartiteur de débit. Cependant, il ne faut
pas sélectionner les deux éléments sinon le débit d’extraction sera compté deux fois !
Note: Nous calculons un âge de boue de base sur la masse de boue dans les réacteurs biologiques. Il aurait été
possible d’inclure la boue du clarificateur.
Note: Si le clarificateur secondaire est inclus dans le calcul de l’âge de boue, il faut alors également considérer
les solides perdus par l’effluent.
30
SYSTEME DE TRAITEMENT POUSSE DU
PHOSPHORE
1. Nous désirons maintenant modifier le système pour obtenir l‟abattement du phosphore sans
nitrification (avec un recyclage des liqueurs mixtes maintenu à zéro). Pour réaliser cela le débit
d‟extraction est augmenté pour réduire l‟âge de boue et empêcher le développement des
nitrifiantes. BioWin propose une méthode efficace pour maintenir l‟âge de boue à une valeur
spécifique et calculer le taux d‟extraction requis.
2. Cliquer sur Projet|Age de boue actif … - ou cliquer sur Age de boue actif dans la barre
d‟outils. Cocher la case A contrôlé – de nouvelles options apparaissent en bas de la boite de
dialogue.
3. Sélectionner Extraction (WAS splitter) à partir de la liste déroulante
des répartiteurs et spécifier le dernier âge de boue enregistré dans le
tableau. Relancer une simulation et vérifier que le débit d‟extraction est
bien 3750 m3/jours.
Calcul/Contrôle de A
4. Réaliser à nouveau une simulation avec un âge de boue contrôlé à 5 jours et reporter les résultats.
Réduire à nouveau l‟âge de boue à 4 jours. Sommes nous débarrassés des nitrifiantes ?
NITRIFICATION POUSSEE A TEMPERATURE
ELEVEE
Nous rencontrons maintenant une température d‟été anormalement élevée. Que se passe-t-il si le taux de
nitrification est élevé?
5. Changer le taux de croissance des nitritantes (Xaob) de 0.8 à 1.0/jours.
6. Changer la température à 24°C.
7. Répéter la simulation avec un âge de boue de 4 jours, et vérifier si les nitrifiantes peuvent ou non se
développer.
1. Diminuer l‟âge de boue à 3 jours. Est-ce que le traitement du phosphore est toujours performant ?
31
32
CARACTERISATION DES
EAUX USEES
Voir présentation en annexe.
FRATIONNEMENT DE LA DCO
FRATIONNEMENT DE L‟AZOTE
AUTRES COMPOSES DES ERU
33
35
LA SEPARATION DE
PHASE
INTRODUCTION
Après une présentation générale sur la séparation de phase un exercice basé sur la cas d‟étude 3 explore
différents aspects de la modélisation du comportement d‟un clarificateur secondaire avec un modèle de
décantation à une dimension. Nous étudierons le fonctionnement du modèle en régimes permanent et
dynamique.
Voir en annexe le détail de la présentation
LE DIMENSIONNEMENT DU CAS 3
Construire un schéma avec un réacteur unique et un clarificateur secondaire avec modèle de décantation tel
que montré sur l‟écran BioWin ci-dessous. Le système a les caractéristiques suivantes :
37
TABLEAU 1. CONFIGURATION DU CAS 3.
Bioréacteur:
30 ML
Profondeur = 4.5 m
Clarificateur
(modèle):
Aire = 4,000 m2
Profondeur = 4.0 m
Recyclage des
boues:
Initialement
100 ML/d (100%)
Taux
d’extraction:
6 ML/j (taux constant)
O2 = 2 mg/L
FIGURE 1. SCHÉMA DU CAS 3.
1. Convertir au système d‟unité SI (ML et ML/jour) et construire le schéma.
2. Double cliquer sur l‟élément eaux suées, et cliquer sur le bouton A partir du fichier, et charger le
fichier Exemple.idf (Example.idf) à partir du répertoire Data.
3. Réaliser une simulation en régime permanent pour vérifier que toutes les données nécessaires ont
été spécifiées.
4. Utiliser la commande Fichier|Enregistrer sous … pour enregistrer le schéma Cas 3 dans le
répertoire Data/Cours.
Note: Dans cet exemple l’extraction se fait à partir du réacteur biologique et non du fond du clarificateur. Cette
configuration est appelée « Contrôle hydraulique de l’âge de boue ». La raison d’un tel choix est
qu’indépendamment du taux de recyclage et de la concentration en MES du recyclage, la concentration en MES
dans le réacteur reste relativement constante. En extrayant les liqueurs mixtes à partir du réacteur, on peut ainsi
maintenant un âge de boue relativement constant lorsque le débit de recyclage varie. Dans ce cas, extraire 6
ML/jour à partir du réacteur d’un volume de 30 ML se traduit par un âge de boue de 5 jours (attention la boue
contenue dans le clarificateur secondaire n’est pas prise en compte dans ce calcul de l’âge de boue).
38
ENREGISTREMENT DES RESULTATS /
MODIFICATION DE L‟ALBUM
1. Ajouter une page à l‟album avec deux panneaux verticaux. Afficher les informations (Infos
Eléments – Variables composites) pour le réacteur biologique et le clarificateur. Note : cette étape
n‟est pas forcément nécessaire puisqu‟il est également possible d‟obtenir toutes les informations à
partir de la fenêtre de simulation principale (valeurs de MES, Vitesse ascensionnelle (SLR), Flux
surfacique (SOR), … ).
2. Les résultats de simulation seront reportés dans le tableau ci-dessous. Ces informations peuvent
être obtenues aussi bien à partir de la page à deux panneaux de l‟album qu‟à partir de l‟affichage
dans la fenêtre principale par le survol des éléments avec le curseur.
TABLEAU 2 CAS 3 – RÉSULTATS OBTENUS.
Débit
recyclage
Compacité
maximale
Vitesse
ascen.
Flux
surfacique
MES
Effluent
MES
réacteur
MES
recyclage
AFFICHAGE DU PROFIL DE CONCENTRATIONS
DANS LE CLARIFICATEUR
1. Nous souhaitons obtenir un profil des concentrations en MES dans le clarificateur. Déplacer le
curseur au dessus du clarificateur sur le panneau de dessin, faire un clic-droit, et sélectionner la
commande Ajouter à l’album. Sélectionner Graphique de profil de conc. … à partir du menu.
Dans la boite de dialogue cliquer sur Matière volatiles en suspension dans la colonne de droite
(liste des variables composites). Dans le champ Type de profil, choisir Valeurs instantanées et
Concentration sur X dans le champ Orientation. Cliquer sur Tracer les param. .Sélectionner
Ligne à partir de la galerie générale des séries, puis fermer la boite de dialogue.
2. L‟étape précédente a généré une nouvelle courbe dans l‟album. Ouvrir l‟album – la nouvelle page
doit apparaître.
3. Si vous souhaitez avoir une vue en 3-D : faire un clic-droit sur le graphique et sélectionner la
commande Modifier les options… . L‟onglet 3D permet de cocher la case 3 Dimensions.
Note: Dans ce cas nous simulons un clarificateur avec 10 couches horizontales – numérotées de 0 à 9.
4. L‟axe du bas (concentrations) va également être modifié pour obtenir un minimum et un
maximum respectifs de 0 et 15000 mg/L. Faire un clic-droit sur le graphique et sélectionner la
commande Modifier les axes … . Pour l‟axe du bas, dans l‟onglet Echelles, décocher l‟option
Automatique, et cliquer sur le bouton Modifier… pour spécifier les valeurs Maximum et
Minimum. Cliquer sur fermer pour quitter.
39
AFFICHAGE D‟UN GRAPHIQUE DE “POINT
D‟EQUILIBRE”
1. Nous souhaitons ajouter un graphique de “Point d‟équilibre” (State Point Analysis diagram – SPA)
à l‟album. Déplacer le curseur au dessus du clarificateur sur le panneau de dessin, faire un clic-droit
et sélectionner la commande Ajouter à l’album. Sélectionner Graphique à partir du menu. Dans
la boite de dialogue, sélectionner l‟onglet Point d’équilibre et cliquer sur Tracer les param.
Sélectionnés.
2. L‟étape précédente a généré une nouvelle page dans l‟Album. Ouvrir l‟album – la nouvelle page
doit apparaître. Modifier le graphique pour améliorer la présentation initiale.
SIMULATIONS EN RÉGIME PERMANENT
1. Réaliser une simulation en régime permanent. Noter le débit de recyclage, la vitesse ascensionnelle
et le flux surfacique. Observer le profil de MES dans le clarificateur.
2. Modifier le débit de recyclage à 50 ML/jour en double cliquant sur le clarificateur dans le panneau
de dessin en allant dans l‟onglet Répartition de débit. Répéter la simulation en régime permanent
et noter les résultats.
3. Modifier le débit de recyclage à 33 ML/jour en double cliquant sur le clarificateur dans le panneau
de dessin en allant dans l‟onglet Répartition de débit. Répéter la simulation en régime permanent
et noter les résultats.
SIMULATIONS EN RÉGIME DYNAMIQUE
1. Ajouter une page à l‟Album avec deux panneaux horizontaux. Dans le panneau du haut configurer
un graphique avec une série temporelle (du type Ligne) pour la vitesse ascensionnelle (settler
specific overflow rate, SOR). Les valeurs minimum et maximum sont respectivement 0 et 20.
Dans le panneau du bas ajouter un graphique avec une série temporelle (du type Ligne) pour la
charge au radier (settler solids loading rate, SLR). Les valeurs minimum et maximum sont
respectivement 0 et 200.
Note: Initialement les graphiques seront blancs car aucune simulation dynamique n’a encore été effectuée
2. Ajouter une autre page à l‟Album avec deux panneaux horizontaux. Le panneau du haut doit
présenter un graphique avec une série temporelle (du type Ligne) pour la concentration en MES
de l‟effluent. Les valeurs minimum et maximum sont respectivement 0 et 30. Dans le panneau du
bas ajouter un graphique avec une série temporelle (du type Ligne) pour la concentration en MES
du flux recyclé. Les valeurs minimum et maximum sont respectivement 0 et 16000.
3. Démarrer une simulation dynamique de deux jours. Observer les performances annoncées par le
modèle de décantation dans l‟Album.
Astuce: Si vous démarrer une simulation à partir de la fenêtre principale de BioWin, l’Album disparait. Vous
pouvez maintenir l’Album ouvert en démarrant la simulation à partir de la touche F7.
4. Lorsque la simulation s‟arrête modifier le débit de recyclage à 100 ML/jour. Continuer la
simulation pour 3 autres jours.
5. Lorsque la simulation s‟arrête modifier à nouveau le débit de recyclage en l‟asservissant à 33% du
débit d‟entrée. Continuer avec une simulation dynamique de 3 jours.
40
6. A partir du menu Projet|Paramètres|Décantation … et de l‟onglet Modèle de Vesilind
Modifié, changer la constante de compaction max à 8000 mg/L. Continuer avec une simulation
dynamique de 6 jours. Observer le profil de concentrations en MES dans le clarificateur à partir de
l‟Album.
7. Essayer d‟autres situations en modifiant l‟aire de la surface du clarificateur, et en changement les
paramètres de décantation de la boue.
Note: Entrer une constante de compaction faible peut entrainer des difficultés, notamment des problèmes de
convergences pour les simulations en régime permanent. C’est une conséquence d’un problème de solveur
numérique puisqu’il peut obtenir différentes solutions pour les équations de bilan de masse. Dans ce cas une
solution alternative est de réaliser une simulation dynamique long terme (3 à 4 âges de boue), ce qui devrait
conduire à un régime quasi permanent.
41
42
MODELISATION DE
L‟AERATION
Voir présentation en annexe.
ETUDE DE CAS : SYSTEME
D‟AERATION
RAPPELS
Le modèle de base pour le transfère d‟oxygène de la phase gazeuse vers la phase liquide est le modèle
standard [ex. EPA Design Manual for Fine Pore Aeration Systems (EPA/625/1-89/023)] :
43


       C
OTR  F  K L a 20   T 20    C *  C  V
 F  K L a 20   T 20
*
 20

C V
MODELISATION DE LA PHASE GAZEUSE
La modélisation de la phase gazeuse a été introduite à partir de la version 2 de BioWin (càd la modélisation
des concentrations dans la phase gazeuse).
BioWin considère six gaz différents : l‟oxygène (O2), le dioxyde de carbone (CO2), ammoniac (NH3),
hydrogène (H2), azote (N2) and méthane (CH4). Pour ces six gaz les transferts de masse entre phases
liquide et gazeuse sont pris en compte.
La composition de la phase gazeuse est critique pour la détermination du pH dans les digesteurs anaérobie
puisque la quantité de dioxyde de carbone dans le digesteur influence fortement la concentration de
carbone dioxyde dissous dans la phase liquide. La connaissance des concentrations la phase gazeuse est
également importante pour déterminer les taux de production des gaz. Dans les digesteurs anaérobies, la
composition de la phase gazeuse est toujours modélisée.
Dans les autres unités aérées (bioréacteurs, digesteurs aérobies, SBR), la composition du gaz émis/sortant
est presque toujours la même. Dans ces unités, si la modélisation de la phase gazeuse est désactivée (elle
l‟est par défaut), la composition de ce gaz est considérée constante. Dans ce cas, la composition du gaz
sortant peut être spécifiée grâce au menu Paramètres/Autres …/Aération (voir ci-dessous). Les valeurs
par défaut sont typiques d‟un gaz sortant d‟un bioréacteur. Ces valeurs sont utilisées pour déterminer la
concentration de saturation en phase liquide pour chacun des composés (ex : la saturation de l‟O2 qui
influence le comportement du transfert d‟oxygène). Ces concentrations de saturations sont utilisées comme
base pour la modélisation des transferts de masse des gaz entre phases gazeuses et liquides.
Dans certaines circonstances, la composition de la phase gazeuse peut être différente de celle proposée par
les fractions ci-dessus. Par exemple, lorsqu‟il y a des variations fortes dans la charge ou le pH de l‟eau usée.
Ces différences peuvent influencer le pH et le transfert d‟oxygène (car la teneur en oxygène de l‟air varie
durant l‟aération). L‟utilisateur peut choisir de modélisation la phase gazeuse en sélectionnant Modéliser la
phase gazeuse à partir du menu Elément/Propriétés/Fonctionnement (voir ci-dessous). Dans ce cas
BioWin simule les changements dans la phase gazeuse et leurs impacts sur des facteurs tels que la
44
concentration d‟O2 a saturation, le transfert d‟oxygène, le pH… [Par défaut cette option est désactivée,
ainsi BioWin utilise les fractions de gaz spécifiées dans l‟onglet aération – voir ci-dessus].
Pour l‟aération de surface, BioWin utilise la concentration en « air insufflé » pour déterminer la
concentration de saturation.
La modélisation de la phase gazeuse dans les réacteurs aérés ralentie la simulation et elle n‟est généralement
pas requise. Voici les raisons qui peuvent motiver à l‟utiliser :

Pour une étude en détails de la modélisation du pH ou du transfert d‟oxygène.

Une charge variable pouvant conduire à des modifications dans la composition du gaz sortant.

Des conditions de pH inhabituelles pouvant conduire à du stripping et des variations notables de
la composition de la phase gazeuse.

Des concentrations de gaz sortant qui varient ou différent significativement des défauts proposés
dans l‟onglet Paramètres/Autres …/Aération.

Un besoin en précision maximale pour le modèle.
PERFORMANCES DES DIFFUSEURS
Les paramètres de corrélation pour le coefficient de transfert de masse, KLa, dans BioWin sont accessibles
à partir du bouton Paramètres du modèle … à partir de l‟onglet Fonctionnement des bioréacteurs.
Cette corrélation lie le KLa à la vélocité du gaz de surface (càd le débit d‟air par unité de volume de
bioréacteur par unité de surface de section transversale) et à la densité des diffuseurs.
K L a  C  U SG /jour
Y
C  k1  DD0.25  k2
où
k1
=
2.5656 /day (défaut)
k2
=
0.0432 /day (défaut)
Y
=
0.82 (défaut) [USG en unités de m3/m2/jour]
45
DD
=
couverture en diffuseurs (%) = 100 / ATAD
USG
=
Vélocité surfacique du gaz (m3/m2/jour)
=
QAIR / Aire du bioréacteur
=
Débit d‟air (m3/day)
QAIR
Les paramètres des diffuseurs (k1, k2, Y) sont spécifiques du type de diffuseurs. Des tableurs doivent être
utilisés pour déterminer ces paramètres à partir des données du constructeur provenant de ses tests de
débit en eau claire avec différentes densités de diffuseurs.
DIFFUSEURS FINES BULLES
3.0
DD = 35%
DD = 25%
DD = 25%
2.5
DD = 10%
SOTE (%/ft)
DD = 4%
DD = 4%
DD = 2%
2.0
1.5
1.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
AIR FLOW PER DIFFUSER (SCFM/diffuser)
FIGURE 1. DONNEES DE PERFORMANCES D’UN DIFFUSEUR FINES BULLES.
46
DIFFUSEUR GROSSES BULLES
1.50
DD = 35.0%
1.25
DD = 25.0%
DD = 10.0%
DD = 10.0%
SOTE (%/ft)
1.00
DD = 4.0%
DD = 2.0%
0.75
0.50
0.25
0.00
0
5
10
15
20
25
30
AIR FLOW PER DIFFUSER (SCFM/diffuser)
FIGURE 2. DONNEES DE PERFORMANCE D’UN DIFFUSEUR GROSSES BULLES.
FRACTION DE LA PROFONDEUR EFFECTIVE
POUR LA SATURATION, fED
La profondeur effective pour la saturation est la profondeur à laquelle la pression totale (hydrostatique et
atmosphérique) permet de produire une pression égale à la concentration en régime permanent du système.
La fraction de profondeur, fED, correspond à cette profondeur rapportée sur la profondeur en liquide
totale. Ce facteur tend à représenter le fait qu‟à différentes profondeurs, les bulles sont soumises à
différentes pressions. Ceci affecte la concentration d‟O2 à saturation calculée et la qualité du transfert
d‟oxygène.
47
TABLEAU 1. FRACTION DE LA PROFONDEUR EFFECTIVE POUR LA SATURATION.
Possible fed look-up table
Depth
fED
ft
m
3.1
0.9
0.000
4.6
1.4
0.147
6.1
1.9
0.219
8.6
2.6
0.282
11.1
3.4
0.316
13.6
4.1
0.337
16.1
4.9
0.352
18.6
5.7
0.362
21.1
6.4
0.370
23.6
7.2
0.377
26.1
8.0
0.382
28.6
8.7
0.386
31.1
9.5
0.390
fED Factor versus Bioreactor Depth (ft)
0.40
0.35
0.30
fED
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
5
10
15
20
25
30
DEPTH (ft)
FIGURE 3. FRACTION DE LA PROFONDEUR EFFECTIVE POUR LA SATURATION.
CAS D‟ETUDE POUR L‟AERATION
La configuration proposée ci-dessous est utilisée pour présenter certains aspects de la modélisation de
l‟aération dans BioWin et pour comparer des diffuseurs fines bulles et grosses bulles.
Nous allons utiliser ce schéma pour :

48
Appliquer différents paramètres de performances pour des diffuseurs fines et grosses bulles.

Réaliser des courbes de test d‟aération en eau claire avec BioWin.

Etudier les différences en termes de besoin en fourniture d‟oxygène pour les différents types de
diffuseurs.

Etudier la composition du gaz sortant et son impact sur la concentration en O2 à saturation et par
conséquence sur le besoin en fourniture d‟oxygène.
FIGURE 4. SCHEMA DU CAS D’ETUDE POUR L’AERATION.
Les caractéristiques utiles du système sont les suivantes :

Profil journalier pour le débit, la DCO, le NTK, le PT [moyennes: Q = 26 mgd; DCO = 500
mg/L; NTK = 40 mgN/L; PT = 8 mgP/L].

Le débit se répartit également entre les deux filières du schéma.

Chaque réacteur fait 3 millions de gallons.

La profondeur de tous les réacteurs est de 15 ft.

L‟âge de boue sur chaque file est de 7.7 jours.

Les valeurs de F pour la filière fines bulles sont respectivement 0.5 et 0.6

Les valeurs de F pour la filière grosses bulles sont respectivement 0.75 et 0.85

La fraction de profondeur effective pour tous les réacteurs (d‟une profondeur de 15 ft) est 0.345
(voir la figure 11.3)
Il faut également spécifier les paramètres de transfert de masse pour les différents diffuseurs. Dans ce cas
nous utilisons les données suivantes :
Fines bulles :
k1
=
2.5656 /jour (défaut)
k2
=
0.0432 /jour (défaut)
49
Y
=
0.82 (défaut)
Grosse bulles : k1
=
0.05 /jour
k2
=
0.38 /jour
Y
=
1.05
NOTE IMPORTANTE n°1 : Dans les systèmes de diffusion de l‟air la teneur en oxygène diminue
lorsque la teneur en CO2 augmente. Dans les systèmes classiques la diminution de la teneur en oxygène est
approximativement égale à l‟augmentation en CO2, ainsi le flux volumique ne change pas de façon
significative. Cependant, la diminution de la teneur en oxygène a un impact sur la concentration de
saturation observée de l‟O2 ; la valeur de saturation sera éventuellement plus basse que celle prévue pour la
composition du gaz entrant. Cet aspect est important pour l‟estimation des débits d‟air puisque une
concentration à saturation plus basse implique nécessairement une force de transfert plus faible et une
augmentation du débit d‟air nécessaire pour couvrir la demande en oxygène.
NOTE IMPORTANTE n°2 : BioWin peut modéliser la composition de la phase gazeuse, càd la teneur
en O2 et en CO2 du gaz sortant. L‟utilisateur doit activer l‟option Modéliser la phase gazeuse dans
l‟onglet Fonctionnement des bioréacteurs.
Dans les systèmes d‟aération fines bulles, la teneur en oxygène des gaz sortant est d‟environ 18.8% contre
environ 2% de CO2. Ces valeurs sont appliquées par défaut dans BioWin si la modélisation de la phase
gazeuse n‟est pas activée. L‟utilisateur peut spécifier des valeurs différentes.
Dans cet exemple la composition du gaz sortant pour les réacteurs grosses bulles (lorsque que la
modélisation de la phase gazeuse n‟est pas activée) a été ajustée pour rendre compte de la réduction de
l‟efficacité du transfert (càd une teneur plus élevée en O2 et une teneur plus basse en CO2 [Oxygène=
19.9%; CO2 = 1.2%].
Réaliser les étapes suivantes :
Go through the following sequence of steps:
1. Ouvrir le fichier Aeration - Fine vs Coarse - US.bwc.
2. Parcourir les paramètres d‟aération (locaux) pour chacun des réacteurs du système.
3. Vérifier la désactivation de l‟option modélisation de la phase gazeuse pour chaque réacteur.
4. Simuler un régime permanent et entrer les résultats pour le premier réacteur de chaque filière dans
le tableau 11.2.
5. Refaire la même simulation avec l‟activation de l‟option modélisation de la phase gazeuse et
noter à nouveau les résultats dans le tableau 11.2.
6. Désactiver à nouveau l‟option modélisation de la phase gazeuse pour tous les réacteurs. Modifier
la teneur en oxygène du gaz sortant à 20.95%. Réaliser une simulation en régime permanent et
entrer les résultats pour le premier réacteur de chaque file dans le tableau 11.2. [Quelle teneur en
gaz sortant est habituellement utilisée pour l‟analyse des systèmes d‟aération ?]
7. Remettre les valeurs par défaut de teneur en gaz (ou ré-ouvrir le fichier d‟origine) : [Fines bulles :
O2 = 18.8%; CO2 = 2.0%] [Grosses bulles : O2 = 19.9%; CO2 = 1.2%]. Faire une simulation en
régime permanent et poursuivre par une simulation dynamique de 2 jours. Observer les résultats
dans l‟Album.
50
TABLEAU 2. DONNÉES D’AÉRATION.
Modèle
phase
gazeuse
(On/Off)
Grosses bulles 1
Fines bulles 1
OUR
(resp.)
Rdt
Oxygè
nation
%
O2 %
Qair
Gaz
sortant
O2
sat.
OUR
(resp.)
Rdt
Oxygè
nation
%
O2 %
Qair
Gaz
sortant
O2
sat.
Off
On
Off
51
52
CAS 4 -EXERCICE DE
CALAGE D‟UNE STATION
Voir présentation en Annexe
OBJECTIFS
Les objectifs de cet exercice de calage sont :
1. D‟aider l‟utilisateur à acquérir de l‟expérience en tant que modélisateur avec BioWin ;
2. D‟expliquer comment BioWin utilise les données disponibles à partir des sites réels ;
3. D‟offrir un cas d‟étude où BioWin permet de vérifier l‟intégrité des données disponibles (càd
permet de déceler des erreurs de mesure) ;
4. De montrer comment les données peuvent être utilisées pour calculer les paramètres d‟entrée
nécessaires au modèle (notamment les fractions de l‟eau usée) ;
5. De familiariser l‟utilisateur avec une approche de calage pas à pas.
53
CAS 4 – SPECIFICATIONS DU SYSTEME ET DES
DONNEES
Cette station municipale a une filière qui consiste en un décanteur primaire (représentée par un Décanteur
primaire idéal), deux réacteurs biologiques en série, et un clarificateur final (Clarificateur idéal), une boucle
de recyclage de la boue vers le premier réacteur biologique, et une extraction des boues à partir du
recyclage. La station peut être opérée avec un mode de nitrification simple (les deux réacteurs sont aérés),
ou avec un mode de dénitrification, en convertissant le premier réacteur en zone anoxie.
TABLEAU 1. DIMENSIONNEMENT DE LA STATION.
Ouvrage
Surface
m2
Décanteur primaire
604
Volume
m3
Profondeur
m
3.7
Réacteur #1
4 164
4
Réacteur #2
6 056
4
Clarificateur final
1 198
4.3
La station a été opérée en mode complètement aérobie (nitrification simple). Des données long terme
moyennées ont été extraites des fichiers de fonctionnement de la station. Les données présentent des
valeurs journalières sur 3 mois dont les épisodes d‟orage ou de disfonctionnement ont été retirées. Les
débits sont donnés dans le tableau ci-dessous.
TABLEAU 2. DEBITS ET DONNEES OPERATIONNELLES DE LA STATION.
Ouvrage/Site
Eau d‟entrée
Boues primaires
Recyclage des boues
Extraction
O2 réacteur #1
O2 réacteur #2
Température process
54
Valeurs
Unités
28387
114
21310
946
1.8
2.2
18
m3/j
m3/j
m3/j
m3/j
gO2/m3
gO2/m3
°C
TABLEAU 3. CONCENTRATION DE L’EFFLUENT BRUT.
Paramètre
Valeur
Unités
Note
DCO total
467
mgDCO/L
Donnée eau usée
DCOs (GFC)
210
mgDCO/L
A utiliser pour le fractionnement
FF DCOs
92
mgDCO/L
NTK
30.5
mgN/L
Donnée eau usée
PT
6.1
mgP/L
Donnée eau usée
PO4-P
2.5
mgP/L
Alcalinité
265/5.3 mgCaCO3/L
mmol/L
Donnée eau usée
pH
7.0
Unité pH
Donnée eau usée
MES
204
mgTSS/L
MVS
171
mgVSS/L
N Ammoniacal
23.6
mgN/L
cDBO5
234
mgO2/L
CONFIGURATION DU SCHEMA DE LA STATION
Configurer le schéma suivant dans BioWin.
FIGURE 1. SCHEMA DE LA STATION.
Entrer les données physiques, opérationnelles et les concentrations des eaux usées. Ne pas encore rentrer
les autres paramètres comme les fractions des eaux usées à ce niveau. Faire une simulation en régime
permanent. Comparer les résultats avec ceux du tableau présenté à la fin de cet exercice. Attention des
erreurs de mesures expérimentales (deux dans ce cas) sont suspectées, ce qui implique des erreurs dans les
résultats de simulation. Discuter avec le groupe en confirmant vos résultats pour ce Simu 1.
55
ETAPES DE CALAGE
Saisie des fractions de l‟eau usée
Utiliser le tableur Specifier (Raw) 3_0.xls (fourni dans le répertoire « Tools » de BioWin – faire
éventuellement une copie dans votre répertoire de travail pour ne pas altérer l‟original)
1. Sur l‟onglet « Step 1 – Input Measurements » (Etape 1 – Mesures d‟entrée), entrer les données
mesurées disponibles (couleur rouge) à partir du tableau 9.3. Observer les fractions calculées dans
le tableau de droite du même onglet. On peut ainsi comprendre quelles mesures impactent quelles
fractions.
2. Sur l‟onglet « Step 2 – Estimate COD fraction » (Etape 2 – Estimation des fractions de DCO »,
changer les fractions (couleur rouge) jusqu‟à ce que vous obtenez un niveau de correspondance
excellent ou acceptable avec les mesures.
3. Aller sur l‟onglet « Step 3 – Copy to BioWin » (Etape 3 – Copier vers BioWin) et faire un copiercoller des fractions dans le tableau d‟eau usée de BioWin.
4. Réaliser une simulation en régime permanent (F6). Reporter les fractions utilisées ci-dessous.
5. Discuter les résultats avec le groupe [Simu 2].
TABLEAU 4. FRACTION D’EAU USEE DANS BIOWIN.
Paramètre
Défaut
Utilisé
Explication/Origine
FS (Fbs)
0.16
Influent Specifier (FFCOD-Sus)/TCOD)
FSac (Fac)
0.15
AGV, important pour traitement Bio des
nutriments. Utiliser défaut ou zéro
FXs (Fxsp)
0.75
Influent Specifier – correspondance avec les
solides et FFCOD
FSi (Fus)
0.05
DCOs effluent / CODt eau usée
FXi (Fup)
0.13
Influent Specifier
Fsnh (Fna)
0.66
N-NH3 / NK
FNp (Fnox)
0.50
Paramètre non sensible, laisser par défaut
FSni (Fnus)
0.02
Basse concentration – laisser par défaut
FXni (FupN)
0.035
Laisser par défaut
Fpo4
0.50
P-PO4 / PT
FXpi (FupP)
0.011
Laisser par défaut
Calage du décanteur primaire
1. Les caractéristiques de l‟effluent du décanteur primaire vont influencer le traitement biologique,
cet ouvrage doit donc être correctement « calé » avant d‟aller plus loin sur la filière.
2. Calculer le pourcentage de rendement d‟élimination des solides du décanteur primaire et le
reporter dans BioWin.
3. Vérifier la concentration de l‟effluent du décanteur primaire. Ajuster si nécessaire pour obtenir des
résultats corrects [Simu 3].
56
4. Comparer les concentrations de boue primaire mesurées et simulées. S‟il y a une erreur
importante, faire un bilan de masse autour du décanteur primaire en utilisant les données
mesurées, puis ajuster le flux de boues primaires pour boucler le bilan de masse en utilisant le
tableau 5 comme aide. (Astuce : alternativement, pour une approximation rapide, le ratio de
concentrations simulées/mesurées peut être utilisé pour ajuster le flux de boue primaire) [Simu
4].
TABLEAU 5. BILAN DE MASSE AUTOUR DU CLARIFICATEUR PRIMAIRE.
Flux
Débit
m3/j
MES
mg/L
Flux
massique
kg/jour
(Mesuré)
Flux
massique
kg/jour
(débit ajusté
= ? m3/j)
Note
Eau usée
Effluent
primaire
Boues primaires
Bilan*
* Bilan = Eau usée – (Effluent + Boue Primaire)
Calage du clarificateur secondaire
1.
Ajuster le pourcentage de rendement d‟élimination des solides du clarificateur secondaire en
comparant les MES de l‟effluent simulées et mesurées [Simu 5].
2.
Vérification des MES des liqueurs mixtes. Si le calage n‟est pas encore satisfaisant, on peut suspecter
une erreur de la mesure du débit d‟extraction – il faut dans ce cas l‟ajuster pour obtenir une
concentration en MES correspondant à celle mesurée. (une façon plus rigoureuse de vérifier le débit
d‟extraction est de réaliser un bilan de masse au niveau des MMS (Matières minérales en suspension,
ISS) au niveau de l‟étage « boues activées » (avec l‟hypothèse qu‟il n‟y a pas de source
complémentaire de MMS comme la précipitation ou les Poly-P) [Simu 6].
3.
Vérification de la qualité de l‟effluent. Si le modèle est construit convenablement, la DBO de
l‟effluent doit être faible. Réitérer toute cette étape d‟ajustement des solides de l‟effluent si nécessaire
[Simu 7].
Taux de croissance des Xaob (AOB) pour le calage de l‟azote
ammoniacal en sortie
1.
La station est en saison estivale (18°C), et seules les mesures de l‟azote ammoniacal sont disponibles.
L‟effluent est complètement nitrifié durant l‟été, il ne contient donc pas assez d‟information pour
déterminer le taux de croissance des nitrifiantes. Essayer différents taux de croissance et observer de
quelle façon ils affectent l‟azote ammoniacal de l‟effluent dans ces conditions. Utiliser le tableau 6
pour enregistrer les taux de croissances et les résultats de simulation.
2.
Maintenant nous avons des données disponibles à 10°C : l‟azote ammoniacal dans le Bassin 1 (Tank
1) et dans l‟effluent. Dans ces conditions la station nitrifie partiellement et le taux de croissance peut
57
alors être déterminé en utilisant un coefficient de correction en température (le laisser par défaut à
1.072).
3.
Si nous avions des informations dynamiques, la précision/qualité de l‟estimation de ce taux pourrait
être améliorée. La meilleure solution est de réaliser un test de mesure vitesse de nitrification
maximale (méthodes en réacteur avec mesures chimiques ou par respirométrie).
TABLEAU 6. CALAGE DU TAUX DE NITRIFICATION.
Paramètre
Unités
Test #1
Test #2
Test #3
Test #4
Test #5
Taux de croissance Xaob
(AOB)
1/j
Température
°C
18
18
18
10
10
N-NH3 effluent mesuré
mgN/L
0.2
0.2
0.2
3.7
3.7
N-NH3 effluent simulé
mgN/L
RESULTATS
Reporter les résultats finaux des simulations dans le tableau 8 [Simu 8]. Reporter les valeurs des
paramètres calés dans le tableau ci-dessous.
TABLEAU 7. RESULTATS DE CALAGE – VALEURS INITIALES ET FINALES.
Paramètres
Unités
Valeur initiale
Rendement
d‟élimination primaire
%
Débit d‟extraction
primaire
m3/j
0.03
Rendement
d‟élimination
secondaire
%
99.8
Débit d‟extraction
secondaire
m3/j
0.25
Taux de croissance des
Xaob (AOB)
1/j
0.9
Valeur calée
65
AUTRES EXERCICES OPTIONNELS
Cette section propose des exercices avancés qui aide à améliorer la compréhension du modèle et de sa
sensibilité aux paramètres d‟entrée.
1. Dénitrification : Modifier le Bassin 1 (Tank #1) en mode anoxie. Explorer les changements dans
la qualité de l‟effluent et la sensibilité de la dénitrification à/au :
1. Volume en anoxie,
2. La fraction soluble biodégradable de la DCO (FS - FBS),
58
3. Le facteur d‟hydrolyse en anoxie (Neta Anox Hyd),
4. Le rendement en anoxie.
5. Différents recyclages des nitrates à partir des Bassin 1 et 2 (Tank #1 et Tank #2).
2. Profil journalier. Utiliser un profil journalier et réaliser une simulation dynamique de plusieurs
jours après avoir obtenu un régime permanent. Observer l‟écart entre les valeurs de l‟effluent en
régime permanent avec les pics et les moyennes journalières.
3. Limitation par l’alcalinité. Dans les simulations précédentes il y avait assez d‟alcalinité dans l‟eau
usée pour permettre une nitrification complète. Baisser l‟alcalinité de l‟eau usée avec la
configuration d‟une station entièrement aérobie (nitrifiante) et observer comment l‟azote
ammoniacal de l‟effluent est affecté. Est-ce que l‟alcalinité produite par la dénitrification améliore
la nitrification ?
59
Unités
Mesuré
Paramètres Modifiés
Nouvelle valeur
MES effluent primaire
mg/L
84.1
DBO effluent primaire
mgO2/L
164.0
Concentration boue prim.
mg/L
17700
MES liqueurs mixtes
mg/L
1910
MVS liqueurs mixtes
mg/L
1580
MES effluent
mg/L
14.2
DCOt effluent
mgCOD/L
48.1
DCOs effluent
mgCOD/L
31.0
DBO effluent
mgO2/L
6.0
NH4 effluent
mgN/L
0.2
NO3 effluent
mgN/L
14.5
P-PO4 effluent
mgP/L
2.4
mgCaCO3/L
123
mg/L
4510
Alkalinité effluent
MES Extraction/Recyclage
TSS
Simu #1
Simu #2
Simu #3
Simu #4
Simu #5
Simu #6
Défaut
parameters
Fractions E.U
Primaire %
removal
QBoue prim
Secondaire %
removal
Extraction
(Tableau 5)
TABLEAU 8. TABLEAU DE CALAGE
Cours de 2 jours
61
Simu #7
Simu #8
Secondaire % Résult. finaux
removal
62
Cours de 2 jours
PARCOURS DES
FONCTIONNALITES
AVANCEES DE BIOWIN
La dernière version de BioWin propose une multitude de compléments et d‟améliorations qui étendent ses
capacités de modélisation des systèmes de traitement des eaux usées. Les principaux ajouts de la version 3
en termes de modélisation sont :

Le modèle de Biofilm

La nitrification et la dénitrification en deux étapes

Les bactéries Anammox
L‟incorporation de la nitrification et de la dénitrification en deux étapes ainsi que la croissance des bactéries
Anammox offre à BioWin la capacité de modéliser en détails les différents processus de traitement des
retours en tête qui ont été développés durant les dernières années (ex : digesteur).
Cette section parcours brièvement certaines des fonctionnalités importantes de BioWin.
Cours de 2 jours
63
L‟INTERFACE
L‟interface de BioWin est très semblable à celle de la version 2. Les raccourcis affichés dans la barre de
menu changent en fonction de l‟onglet sélectionné.

Onglet “Principale” : Les simulations sont effectuées à partir de l‟onglet Principale.

Onglet “Schéma” : Cet onglet permet la construction du schéma.

Onglet “Calculateur” : Plusieurs “Ages de boue” (A) peuvent être définis et calculés à partir de
cet onglet. Celui qui est désigné comme « actif » est affiché dans la barre de statut en bas de la
fenêtre de BioWin.
FIGURE 1. L’INTERFACE DE BIOWIN.
Une fonctionnalité utile qui a été ajoutée à l‟interface de BioWin est l‟affichage d‟informations sur les
concentrations et les flux massiques lors du survol avec la souris d‟une conduite (voir le panneau
d‟affichage en bas à droite de la fenêtre de BioWin :
BioWin est installé avec une série de schémas préconfigurés (ainsi que leurs albums). Ils sont accessibles à
partir du bouton « Classeur » de l‟onglet « Principale ».
64
Cours de 2 jours
FIGURE 2. OUVERTURE DU CLASSEUR DES SCHEMAS PRECONFIGURES.
NOUVEAUX ELEMENTS DANS BIOWIN
Parmi les nouveaux éléments inclus dans BioWin :

Ajout de Méthanol
Une biomasse spécifique, les Méthanogènes (ZBMETH), est incluse dans le modèle.

Réacteur de traitement des retours en tête
Note : L’élément Réacteur de traitement des retours en tête a été ajouté à la liste des éléments pour
permettre de le distinguer facilement du Bioréacteur sur le panneau de dessin. Cependant le modèle
appliqué au Réacteur de traitement des retours en tête est identique à celui des autres éléments. BioWin est
basé sur l’intégration d’un unique modèle biologique et chimique appliqué à tous les étages d’un schéma.
La seule véritable différence du réacteur de traitement des retours en tête repose sur les valeurs
d’ensemencement pour débuter une simulation, puisqu’elles différent de celles du Bioréacteur classique.

Bioréacteur à support (pour systèmes IFAS et MBBR)
Cours de 2 jours
65

Ajout de coagulant métallique (pour l‟ajout de chlorure ferrique ou d‟alum)

Boue

Bioréacteur avec aération à brosses

Bioréacteur avec aération de surface

Mélangeur général (pour combiner plusieurs conduites)

Clarificateur sans volume (point)
Cet élément, utilisé pour la séparation de phases, est une simplification du clarificateur idéal – il n‟a pas de
volume. Un rendement d‟élimination des solides est appliqué et la fraction restante des solides est
retournée instantanément dans le flux recyclé. Application les plus courantes de cet élément sont :
- Les bioréacteurs à membrane.
- Les unités de déshydratation et les autres éléments de séparation de phase qui ont un volume négligeable.
L‟utilisation de cet élément permet un gain de temps en termes de simulation en comparaison de l‟unité de
déshydratation proposée dans la version 1.2. Dans la version 2.1 le volume de cette unité est devenu nul.
- Les simulations simples (modèle rapide qui néglige le volume de boue du clarificateur).
- La comparaison/vérification avec des simulations réalisées avec d‟autres packages ou en utilisant les
modèles standard internationaux (SSSP et les modèles ASM).
66
Cours de 2 jours
OPTIONS DU MODELE
Les options du modèle peuvent être activées ou non selon les spécificités du schéma. Par exemple, s‟il n‟y a
pas d‟ajout de chlorure ferrique ou d‟alum pour un système donné, alors il n‟est pas nécessaire d‟inclure la
modélisation de ces composés pour la simulation. L‟état des options du modèle est affiché dans une barre
au bas de la fenêtre de BioWin, juste au dessus de la barre de statut.
En cliquant sur le bouton Options du modèle … (à gauche de la barre), l‟utilisateur peut consulter une
boîte de dialogue permettant d‟activer ou non les options du modèle.

Utiliser le modèle intégré de BioWin (boues activées/digestion anaérobie) : Permet
d‟activer le modèle de boues activées et de digestion anaérobie par défaut de BioWin.

Utiliser le modèle personnalisé du projet : Cette option est à activer si (a) un modèle
complémentaire à celui de BioWin doit être utilisé ou si (b) le modèle de BioWin doit être
entièrement remplacé par un modèle du type ASM1, ASM2d ou ASM3.

Utiliser la modélisation de l’oxygène : Si cette option n‟est pas activée, il est alors supposé une
réponse instantanée à un changement de consigne en O2. Selon que cette option est active ou non,
BioWin prendra en compte la fourniture d‟oxygène additionnelle pour l‟augmentation de la
concentration en O2.

Inclure le calcul du pH: En tout point du système le pH est calculé lorsque cette option est
active; sinon il est supposé que le pH est de 7.0 (le pH dans les digesteurs peut être appliqué de
manière séparée).

Appliquer la limitation par le pH dans les équations cinétiques des boues activées :
Lorsque cette option est active, la dépendance au pH des cinétiques des boues activées est
considérée. Dans les digesteurs en anaérobie cette dépendance est toujours considérée.

Inclure les réactions chimiques de précipitation pour la struvite, l’HAP et le HPC : Cette
option doit être sélectionnée pour les schémas où les précipités suivants peuvent être attendus :
struvite (MgNH4PO4.6H2O), HAP (hydroxy-apatite – Ca5(PO4)2OH) et HPC (hydroxy- phosphate
(di)calcium – Ca2HPO4(OH)2). Le calcul du pH doit alors être actif.

Inclure les réactions chimiques de précipitation pour les hydroxydes et les phosphates de
métal : Cette option doit être sélectionnée pour la précipitation chimique du phosphore avec
l‟ajout de chlorure ferrique ou l‟alum. Le calcul du pH doit alors être actif.

Modèle de décantation (décanteurs et SBR) : Choix entre le modèle de Vesilind modifié (avec
compaction max. et demi-saturation pour la clarification) et le modèle en double-exponentielle.
Cours de 2 jours
67
BILAN DE MASSE POUR UN ELEMENT
SPECIFIQUE
Faire un clique-droit sur un élément et sélectionner l‟option Bilan de masse …
INFORMATIONS CINETIQUES POUR UN
ELEMENT SPECIFIQUE
Faire un clique-droit sur un élément et sélectionner l‟option Cinétiques ...
68
Cours de 2 jours
PERSONNALISATION DE BIOWIN
Différents éléments de BioWin peuvent être personnalisés à partir des menus Outils/Personnaliser … et
Projet/Options des nouveaux projets … Par exemple, il est possible de choisir entre noms complets et
noms abrégés (cryptiques) pour la description des nombreux paramètres. Ces choix restent valables après
redémarrage de BioWin.
Certains éléments peuvent également être personnalisés uniquement pour le projet en cours à partir du
menu Projet/Options du projet actif …
REGLAGES DU SOLVEUR NUMERIQUE
Le solveur pour le régime permanent a été affiné. Le solveur par défaut (Hybride BioWin) utilise une
combinaison des méthodes numériques Newton-Raphson et de la méthode dite de « recherche linéaire
découplée » (RLD/DLS). Généralement une solution en régime permanent doit être trouvée avec 5 à 12
itérations. Cependant, avec certaines configurations le solveur peuvent avoir des difficultés à converger
vers une solution. L‟aide en ligne et le manuel incluent une section intitulée : Managing BioWin
Projects/ Numerical parameters/ Tips for systems that are difficult to solve.
Quatre approches pour la résolution de situations de non convergences sont proposées ci-dessous.
RECHERCHE LINEAIRE DECOUPLEE.
Pour les très grands systèmes (notamment ceux qui incluent plusieurs unités de clarification), essayer la
Recherche linéaire découplée (RLD/DLS) à partir du menu Projet/Options du projet actif
…/Paramètres numériques.
Cours de 2 jours
69
PARAMETRES SECURITAIRES DU SOLVEUR
Si la valeur de l‟erreur affichée dans la fenêtre Analyse en régime permanent ne diminue pas d‟une
itération à l‟autre après 15 à 20 itérations, essayer de sélectionner les paramètres sécuritaires du solveur. A
partir du menu Projet/Options du projet actif …/Paramètres numériques, cliquer sur le bouton
Options … dans le cadre Solveur en régime permanent puis cliquer sur le bouton Restaurer les
valeurs par défaut sécuritaires.
AJUSTEMENT DU PAS INITIAL DU SOLVEUR RLD
Pour les systèmes ayant des taux de recyclage élevés (par exemple les chenaux d‟oxydation) ou les systèmes
avec des « boules dans les boucles », essayer d‟ajuster les paramètres du solveur RLD (DLS). A partir du
menu Projet/Options du projet actif …/Paramètres numériques, cliquer sur le bouton Options … dans le
cadre Solveur en régime permanent puis changer le paramètre Pas initial dans le cadre Recherche
linéaire découplée (RLD) (la valeur par défaut étant 5).
70
Cours de 2 jours
SOLUTION EN REGIME PERMANENT EN DEUX ETAPES
S‟il apparaît que le solveur rencontre des difficultés avec le calcul du pH (par exemple avec des oscillations
significatives du pH d‟une itération à l‟autre), une approche en deux étapes peut permettre de résoudre ce
problème. A partir du menu Projet/Options du projet actif …/Modèle (ou en cliquant directement sur
le bouton Options du modèle …), désélectionner l‟option Inclure le calcul du pH. Lancer une
simulation en régime permanent, avec des conditions initiales « ensemencement ». Cela devrait permettre
de converger vers une solution (avec un pH de 7.0 dans toutes les unités). Ensuite retourner aux Options
du modèle … et réactiver le calcul du pH et relancer une simulation, avec les conditions initiales « valeurs
actuelles ».
FRACTION MINERALE DE LA BIOMASSE
Dans les systèmes recevant des eaux usées synthétiques, avec par exemple du glucose, la concentration en
MES des liqueurs mixtes est légèrement supérieure à la concentration en MVS même si l‟eau usée ne
contient pas de MMS. Ceci est du probablement à des sels dissous inorganiques qui sont inclus dans les
organismes lors du processus de croissance. Pour prendre en compte cette situation, BioWin permet
maintenant de considérer une fraction minérale de la biomasse (et un résidu endogène) qui peut être
spécifié à partir du menu Projet/Paramètres/Autres …/Général.
Note : lors du chargement d‟un fichier provenant d‟une version « ancienne » de BioWin, la valeur de cette
fraction sera par défaut à zéro. Dans le cas d‟un nouveau schéma la valeur par défaut est de 8%.
Considérer le système ci-dessous. Réaliser une simulation en régime permanent et ouvrir l‟Album (voir cidessous). La différence entre MES et MVS est de 9.18 mg/L. Il n‟y a pas de MMS dans l‟eau usée, donc la
différence doit provenir d‟une synthèse de MMS. La somme des composés de la biomasse [hétérotrophes,
autotrophes (XAOB and XNOB) et résidu endogène] est : 98.49 + 1.69 + 1.08 + 48.58 = 149.84 mgDCO/L.
Tous ces composés ont un ratio DCO/MVS de 1.42, donc la contribution au MVS de la biomasse est de
Cours de 2 jours
71
149.84/1.42 = 105.52 mgMVS/L. Dans ce cas la synthèse d‟une fraction inerte est fixé à 8% ; càd que si X
est la concentration en matière minérale en mg/L :
X
 0.08
105.52  X
La résolution donne : X = 9.18 mg/L
FIGURE 3. EXEMPLE DEMONTRANT LA FRACTION MINERALE DE LA BIOMASS
72
Cours de 2 jours
DENITRIFICATION PAR
AJOUT DE MATIERE
ORGANIQUE. EXEMPLE
AVEC AJOUT DE
METHANOL
CONSIDERATIONS SUR LE MODELE DANS LE
CAS DE L‟AJOUT DE METHANOL
Une biomasse utilisant spécifiquement le méthanol, les méthylotrophes XMETH (XMETH), a été incluse dans
BioWin. Cette biomasse :

Utilise le méthanol pour sa croissance dans les zones non aérées.

A un rendement en anoxie de 0.4, donc plus bas que celui des hétérotrophes.

N‟est pas capable d‟utiliser d‟autres substrats.
ATTENTES VIS A VIS DE L‟AJOUT DE
METHANOL
Dans les systèmes où le méthanol est ajouté pour la dénitrification, on peut s‟attendre à un besoin de 3.2
unités de masse de méthanol pour l‟abattement d‟une unité de masse de N-nitrates. Si la concentration en
oxygène du flux entrant dans le réacteur est élevée, alors l‟ajout de méthanol permet le stripping de
l‟oxygène. Le ratio DCO du méthanol/N provient directement de la stœchiométrie suivante :
DCO / N 
Cours de 2 jours
2.86
2.86

 4.77 gDCO/gN
1  YMeOH , AX 1  0.4
73
La masse de méthanol est alors déduite du ratio DCO/masse obtenu comme suivant :
CH3 OH  3 O 2  CO 2  2H2 O
2
32 g
1.5 x 32 g = 48 g
Ainsi le méthanol a un ratio DCO/masse de 48/32 = 1.5 gDCO/gMeOH. Le ratio MeOH/N est :
MeOH / N 
4.77 mgDCO gMeOH

 3.18 gMeOH/gN
gN
1.5 gDCO
CAS D‟ETUDE : AJOUT DE METHANOL
Ce cas d‟étude montre :

Comment un ajout de méthanol dans un système de boues activées rentre en compte dans la
dénitrification

Comment évaluer la mise en route de ce même système avec l‟ajout de méthanol.
Nous considérons un système à deux étages avec un réacteur biologique suivi d‟un réacteur post-anoxique,
càd une configuration Wuhrman. Le système fonctionne à un âge de boue de 10 jours.
FIGURE 1. SCHEMA AVEC AJOUT DE METHANOL.
74

Un profil journalier de débit, de DCO, the NTK et de TP [moyennes: Q = 100 ML/j; DCO =
500 mg/L; NTK = 40 mgN/L; PT = 8 mgP/L].

Le volume du réacteur aérobie : 20 000 m3

Le volume du réacteur anoxique : 10 000 m3
Cours de 2 jours

Un âge de boue total de 9.65 jours.

Un âge de boue anoxique de 2.5 jours.
REPRESENTER L‟AJOUT DE METHANOL
Réaliser la séquence d‟étape suivante :
1. Ouvrir le fichier Methanol - Post-anoxic.bwc.
2. Vérifier que le débit de méthanol est à zéro.
3. Réaliser une simulation en régime permanent pour le cas sans méthanol. Reporter les résultats
dans le tableau 12.1 [Voir l‟Album pour les flux massiques].
Le flux massique de N-NOX dans l‟effluent est d‟environ 1050 kgN/j. L‟objectif est de diviser par deux ce
flux par l‟ajout de méthanol. Quel flux de méthanol à 100% est alors nécessaire ?
MeOH flow (L/j)  1050 / 2 kgN 
4.77 kgDCO
L
106 mg


 2,108 L MeOH/j
kgN
1,188,000 mgDCO
kg
4. Augmenter le débit de méthanol (1000 puis 2000 L/j), et simuler un régime permanent pour
chacun de ces cas. Reporter les résultats dans le tableau 12.1.
Astuce : Ouvrir une fenêtre de bilan de masse pour le réacteur anoxique et sélectionner l‟option azote.
Observer alors le changement dans le flux massique de gaz N2 sortant. Comparer cette quantité à la
quantité de « DCO méthanol » ajoutée. Vérifier également si tout le méthanol est utilisé.
TABLEAU 1. AJOUT DE METHANOL POUR LA DENITRIFICATION.
MeOH
débit
(L/j
0
MeOH
MeOH
Masse
ajoutée
(kgDCO/j)
Masse non
utilisée
0
0
(kgDCO/j)
Effluent
N-NOX
(mgN/L)
Effluent
N-NOX
(kgN/d)
Gaz
sortant
N
(kgN/d)
DOC/N
(kgDCO/kgN)
-
1000
2000
MISE EN ROUTE DU SYSTEME
Réaliser la mise en route du système comme suivant :
1. Mettre le débit de méthanol à zéro.
2. Faire une simulation en régime permanent.
3. Mettre le débit de méthanol à 2100 L/j.
4. Faire une simulation en régime dynamique pour une durée de 20 jours (soir 2 âges de boue), et
observer la concentration en nitrates de l‟effluent ainsi que la concentration en méthylotrophes
dans le réacteur anoxique. Le système a-t-il atteint un régime permanent ?
Cours de 2 jours
75
5. Continuer la simulation dynamique pour encore 20 jours (soit 4 âges de boue).
76
Cours de 2 jours
MODELISATION DU PH
INTRODUCTION
Le pH joue un rôle fondamental dans tous les processus biologiques, notamment pour les processus de
boues activées et de digestion anaérobie. A cause de la complexité du calcul du pH dans les eaux usées,
BioWin avait d‟abord utilisé l‟alcalinité comme indicateur d‟instabilité du pH. Si l‟alcalinité est basse, des
changements rapides de pH peuvent survenir. Cependant, cette corrélation est faible et ne prend pas en
compte les cas d‟inhibition par pH élevé.
Un modèle général de pH a été implémenté à partir de la version 2.1 de BioWin à fin d‟inclure tous les
principaux systèmes acide-base généralement présents dans les eaux usées municipales. L‟objectif du
modèle est de calculer le pH tout au long de la station, y compris dans les filières liquides et solides.
Certains développements ont rendu possible et/ou nécessaire de modéliser le pH, notamment :

La modélisation de la phase gazeuse qui est importante pour la modélisation de la digestion
anaérobie et pour les processus de précipitation. Le calcul des taux de transfert des gaz (par
exemple du CO2 et du NH3) nécessitent de connaître l‟état d‟ionisation des espèces et par
conséquent le pH du système.

La prise en compte de l‟inhibition de l‟activité biologique à des pH bas ou élevés.

La modélisation du pH est influencée par la précipitation du phosphore pour ajout d‟aluminium
ou de fer, également par la formation des hydroxydes.

La modélisation du pH est influencée par la précipitation spontanée de la struvite et des
phosphates de calcium, qui sont intégrés à la matrice biologique du modèle. La prédiction précise
de la précipitation de la struvite nécessite également la modélisation des concentrations en
magnésium, qu‟il soit soluble ou stocké dans les organismes.
La partie “équilibre” du modèle de pH ne requiert pas de calage de paramètres, les constantes d‟ionisation
étant connues par la littérature. Une estimation du coefficient du transfert de masse du CO2 est nécessaire,
sur la base d‟une aire commune avec le modèle de transfert d‟oxygène.
EXAMPLE 1: TEST DE CHARGE MASSIQUE
ÉLEVÉE (HIGHT F/M TEST)
Un protocole expérimental a été suivi pour mesurer le taux de croissance des nitrifiantes issues d‟un
échantillon de boues activées prélevé à la station d‟épuration de Dundas en Ontario, Canada entre le 4 et le
8 juin 2001 (WERF, 2003). Dans le test à charge massique élevée (high F/M bioassay), une concentration
relativement faible de nitrifiantes reçoit de l‟ammoniaque, et l‟augmentation des concentrations en nitrites
et en nitrates est suivie durant une période d‟environ 4 jours. Ces tests ont été réalisés par paires dans des
béchers de 4 L mélangés avec un volume liquide de 3 L. Un échantillon de liqueur mixte prélevé à la
station de Dundas sert d‟ensemencement. Ce dernier a été dilué avec l‟effluent secondaire pour obtenir une
concentration initiale d‟ensemencement de 30 à 35 mgMVS/L. Au début du test, l‟effluent, la boue et les
réactifs ont été ajoutés simultanément dans chaque réacteur. Les réactifs étaient du chlorure d‟ammonium
avec 1 g de bicarbonate de sodium (pour équilibrer l‟alcalinité).
Cours de 2 jours
77
150
150
NOx-N measured
NOx-N predicted
125
NH4-N
100
100
75
75
50
50
25
25
0
NH4-N (mg/L)
NOx-N (mg/L)
125
0
0
1
2
3
4
5
TIME (days)
FIGURE 1. REPONSE DU TEST A FORTE CHARGE MASSIQUE (HIGH F/M TEST).
La quantité de chlorure d‟ammonium ajoutée a été calculée pour obtenir une concentration initiale en
ammoniaque de 120 mgN/L. Les réacteurs ont été mélangés durant toute la durée du test. Le pH a été
suivi en continu et reporté sur un graphique. Des échantillons ont été prélevés de manière intermittente
pour analyse des N-NO3, N-NO2 et de l‟azote ammoniacal total. Les ajouts d‟alcalinité ont été réalisés sous
forme de bicarbonate de sodium lorsque le pH atteignait environ 7.5. L‟aération dans le réacteur a été
contrôlée avec un oxymètre relié à un bulleur d‟aquarium fonctionnant en mode marche/arrêt pour
maintenir une concentration en oxygène comprise entre 4 et 6 mgO2/L. Un exemple de résultat du test à
forte charge massique est donné sur la figure ci-dessus. Une régression non linéraire par la méthode des
moindres carrés a été appliquée pour déterminer l‟équation exprimant la production de nitrate à partir des
N-NOX mesurés. Le taux de croissance obtenu pour les nitrifiante a été utilisé pour la simulation de ce test.
La figure ci-dessous montre, les réponses mesurées et simulées du pH durant le test. Les quatre périodes
de forte augmentation du pH sont été causées par l‟ajout du bicarbonate de sodium. L‟observation de la
courbe de pH montre que le bicarbonate a été consommé de plus en plus rapidement au fur et à mesure du
test, ce qui s‟explique par l‟accélération de la nitrification. Les points de données donnent les valeurs
extrêmes des variations de pH causées par l‟aération marche/arrêt. De manière générale l‟aération était en
marche pour 1 à 1.5 minutes, ce qui entrainait le stripping du CO2 et par conséquence une augmentation
du pH pendant une courte période. L‟aération marche/arrêt n‟a pas été simulée puisque les temps
d‟aération exacts n‟ont pas été enregistrés. Une concentration moyenne en oxygène dissous de 5 mgO2/L a
été utilisée pour la simulation, ce qui est revenu a appliquer une augmentation progressive de la fourniture
d‟oxygène (avec l‟augmentation de l‟activité biologique).
Le modèle représente précisément la tendance et les valeurs absolues du pH (avec une erreur d‟environ
0.1). Ce modèle offre donc une bonne estimation de toutes les variables importantes du process.
78
Cours de 2 jours
FIGURE 2. PH DANS UN TEST A FORTE CHARGE MASSIQUE (MODEL –
LIGNE CONTINUE).
8.4
8.2
8.0
7.8
pH
7.6
7.4
7.2
7.0
June 04
June 05
June 06
June 07
June 08
EXEMPLE 2 : CULTURE BIO-P ENSEMENCEE
Wentzel et al. (1989) ont réalisé plusieurs tests en laboratoire d‟ensemencement de culture avec de l‟acétate
dans des conditions de régime permanent et à différents âges de boue. Les auteurs ont enregistré le pH et
mesuré les concentrations en PO4-, NH3, NO3- dans chacun des réacteurs anaérobie, anoxique et aérobie
durant les tests.
Quatre de ces installations ont été simulées en utilisant un modèle combiné ASDM-pH. Le modèle prédit
avec pertinence toutes les variables du process à partir des mêmes paramètres de test. Il y a une bonne
correspondance entre les profils de nutriment mesurés et simulés, tel que montré par la figure 13.3 pour les
orthophosphates. Le développement d‟un modèle de traitement biologique des nutriments était l‟objectif
initial de ce test.
La figure 4 montre les profils de pH simulés et mesurés pour des tests identiques (voir figure 13.3).
En plus de la nitrification/dénitrification et du transfert du CO2, le pH est également sensible à la
consommation et au relargage du phosphore et des cations tels que le magnésium et le potassium. Si ces
phénomènes ne sont pas pris en compte, il n‟est pas possible de modéliser le pH avec précision.
Cours de 2 jours
79
FIGURE 3. PROFILS DE PO4 A TRAVERS LES REACTEURS DU TEST.
UCT 10 d SRT System
Bardenpho 20 d SRT System
180
160
180
PO4 (mgP/L)
PO4 (mgP/L)
140
120
160
140
Model
Observed
100
80
60
40
120
100
80
60
40
20
20
0
0
Reactor 1
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 5
Reactor 1
Reactor 4
Reactor 5
Bardenpho 7.5 d SRT System
140
120
100
PO4 (mgP/L)
160
140
PO4 (mgP/L)
Reactor 3
180
160
180
120
100
80
60
40
20
80
60
40
20
0
0
Reactor 1
`
Reactor 2
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 1
Reactor 5
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 5
FIGURE 4. PROFIL DE PO4 A TRAVERS LES REACTEURS DU TEST.
UCT 10 d SRT System
8.0
8.0
7.8
7.8
7.6
7.6
pH
pH
7.4
7.4
7.2
7.2
7.0
7.0
Reactor 1
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 5
Reactor 1
7.6
Reactor 4
Reactor 5
8.0
7.8
Model
Observed
7.6
pH
pH
7.4
7.4
7.2
7.2
7.0
7.0
Reactor 1
80
Reactor 3
Bardenpho 7.5 d SRT System
8.0
7.8
Reactor 2
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 5
Reactor 1
Reactor 2
Reactor 3
Reactor 4
Reactor 5
Cours de 2 jours
CAS D‟ETUDE : LA DIGESTION AEROBIE
Ce cas d‟étude explore :

La modélisation du pH;

L‟ajout d‟une variable d‟état pour représenter l‟ajout de chaux dans le système.
Le système considéré fonctionne à un âge de boue de 15 jours avec un acheminement direct des boues
extraites vers un digesteur anaérobie ayant un temps de séjour hydraulique (dans ce cas égal à l‟âge de
boue) de 10 jours.
FIGURE 4. CONTROLE DU PH DANS UN DIGESTEUR AVEC AJOUT DE CHAUX.

Débit d‟entrée = 24 000 m3/j (DCO = 500 mgO2/L ; NTK = 40 mgN/L; Alcalinité = 6 meq/L
= 300 mg/L sous forme de CaCO3).

Le volume du réacteur biologique = 15 000 m3/j (Temps de séjour hydraulique = 15 heures).

Recyclage des boues = 50 % du début d‟entrée (12 000 m3/j)

Extraction = 350 m3/j à partir du recyclage, âge de boue de 15 jours

Volume du digesteur aérobie = 3 500 m3 (temps de séjour hydraulique = âge de boue = 10 jours).
La concentration en MES de la liqueur mixte est d‟environ 3 6000 mgMES/L, avec une concentration au
niveau du recyclage/extraction de 10 000 mgMES/L. Le ratio MVS/MES de la boue extraite est d‟environ
70%.
Réaliser la séquence d‟étapes suivante :
1. Ouvrir le fichier Extended aeration + aerobic digester.bwc.
2. Vérifier que le débit d‟ajout de chaux est à zéro.
Cours de 2 jours
81
3. Réaliser une simulation en régime permanent. BioWin rencontre-t-il des difficultés à trouver une
solution ? Est-ce que des alarmes apparaissent ?
4. Entrer les résultats dans le tableau 13. 1.
Il n‟est pas surprenant que BioWin rencontre des difficultés. Le pH dans le digesteur est d‟environ 4.3, ce
qui résulte de la consommation d‟alcalinité associée à la nitrification. Le pH bas conduit à une nitrification
incomplète, avec une concentration résiduelle d‟azote ammoniacal de 70 mgN/L.
Combien de chaux doit être ajoutée pour augmenter le pH dans le digesteur? La concentration d‟entrée en
MVS est d‟environ 7 500 mg/L. L‟objectif est une réduction d‟environ 22% à un âge de boue de 10 jours
(càd une réduction de 1 650 mg/L). Etant accepté que la teneur en azote des boues extraites est d‟environ
0.1 mgN/gMVS, la quantité potentielle de nitrate pouvant être générée est donc de 165 mgN/L. La
consommation d‟alcalinité associée sera alors approximativement de 165 x 7.14 = 1 180 mg/L sous forme
de CaCO3. Cependant, l‟ammoniaque destiné à la nitrification provient du décès de la biomasse ; càd que
l‟azote organique est hydrolysé puis converti en azote ammoniacal par le processus d‟ammonification. Au
cours de processus l‟azote est lysé sous forme de NH3 puis prend un proton lors qu‟il est converti sous
forme de NH4. Ceci contribue à conserver l‟alcalinité du digesteur. Pour la lyse d‟1 mole (14 gN)
d‟ammoniaque, 1 mole de protons est retirée de la solution ; ce qui offre un gain d‟alcalinité de 50/14 =
3.57 mg/L sous forme de CaCO3 par mgN. Ainsi, une baisse d‟alcalinité de 165 x(7.14 -3.57) = 590 mgL
sous forme de CaCO3 peut être attendue dans le digesteur. Ce qui correspond à un débit de 590/50 = 11.8
meq/L dans le digesteur.
Une solution 3M de chaux (soit 3000 mmol/L) est ajoutée pour ajuster le pH du digesteur. La formule de
la chaux est Ca(OH)2. Chaque mole de chaux contient 2 équivalents d‟alcalinité. Ainsi, une solution 3M de
chaux a une alcalinité de 6 000 meq/L. Il faut ajouter 350 m3/j x 1000 L/m3 x 11.8 meq/L = 4 130 000
meq/j. A une concentration de 6000 meq/L, cela correspond à un débit de chaux 3M de :
4 130 000 meq/j/(6000 meq/L x 1000 L/m3) = 0.69 m3/j.
La chaux est ajoutée au digesteur sous forme de variable d’état d‟entrée. Le calcium a une masse atomique
de 40, donc la chaux 3M a une teneur en calcium de 3 x 40 000 = 120 000 mgCa/L. Le calcium est une des
variables d‟état de BioWin. Ouvrir les l‟élément « ajout de chaux » (lime input) et observer que la seule
valeur de concentration est celle du calcium à 120 000 mg/L. [Il peut être souhaitable de mettre la teneur
en CO2 Total à 6 mmol/L pour rendre compte de l‟équilibre de la solution de chaux avec l‟atmosphère.
Cependant cela n‟aura pas d‟impact significatif pour ce cas].
La seule entrée nécessaire ici est la concentration en calcium. BioWin va calculer le pH et la composition
de la solution de chaux.
Maintenant :
1. Incrémenter le débit de chaux (0.25, 0.50 and 0.75 m3/j), et réaliser une simulation en régime
permanent à chaque fois. Entrer les résultats dans le tableau 1
82
Cours de 2 jours
TABLEAU 1. AJOUT DE CHAUX POUR LE CONTROLE DU PH.
Débit de
chaux
(m3/j)
Digesteur
pH
Digesteur
N-NH3
(mg/L)
Digesteur
N-NO3
(mg/L)
Digesteur
MVS
OUR - respi
boues extrac
(mg/L/h)
(mg/L)
Digesteur
MVS
(mg/L)
0
0.25
-
0.50
-
0.75
-
Y a-t-il une meilleure façon de contrôler le pH ? Que donnerait une aération marche/arrêt dans le
digesteur ? Cette méthode pourrait permettre une nitrification/dénitrification séquentielle avec une
récupération d‟alcalinité grâce à la dénitrification. Essayer la procédure suivante :
1. Mettre le débit de chaux à zéro.
2. Entrer une programmation Marche/Arrêt pour l‟aération du digesteur avec un cycle de 2 heures et
une consigne en O2 de 2 mg/L pendant 1 heure (à zéro le reste du temps).
3. A partir du menu Projet/Base de données/Pas de temps de lecture … réduire l‟intervalle
d‟affichage à 5 minutes pour pouvoir mieux suivre les changements dynamiques dans le digesteur.
4. Réaliser une simulation en dynamique (en démarrant avec les valeurs actuelles) pour une durée de
25 jours, et observer les nitrates, l‟alcalinité et le pH dans le digesteur.
5. Démarrer à nouveau une simulation dynamique pour 1 journée à partir des valeurs actuelles.
Modifier les échelles des axes dans l‟album si nécessaire.
6. L‟ajout de chaux est-il nécessaire ? Vérifier l‟alcalinité dans le digesteur. Est-ce plus élevé que dans
le flux de boues extraites ? Toute l‟alcalinité de la chaux a été utilisée. La simulation a duré 2.1 âges
de boue depuis l‟arrêt de l‟ajout de chaux. Une simulation de 4 âges de boue serait nécessaire pour
atteindre un véritable régime permanent.
Observer la réponse en oxygène dissous (càd le passage instantané de la consigne entre 0 et 2 mgO2/L) et
débit en oxygène. Est-ce raisonnable ?
1. Basculer sur le mode Utiliser la modélisation de l’oxygène et poursuivre une simulation
dynamique sur 2 jours. Observer à nouveau la réponse en oxygène dissous et la fourniture
d‟oxygène. D‟un point de vu pratique, quelle quantité d‟air doit être fournie par les suppresseurs ?
2. Dans le digesteur anaérobie, spécifier la capacité maximale des suppresseurs. Alternativement,
changer le contrôle de l‟aération en appliquant une consigne en débit d‟air. Réaliser à nouveau une
simulation dynamique.
Cours de 2 jours
83
84
Cours de 2 jours
MODULE DE CONTROLE
DE BIOWIN
Plusieurs modules de contrôle sont intégrés à BioWin. Par exemple, la saisie d‟une consigne en oxygène
dans un réacteur aéré ou d‟un taux de répartition de débit dans un répartiteur font appel à des contrôleurs.
Ces fonctionnalités sont très utiles pour réaliser des simulations. Cependant, il n‟est pas possible de simuler
tout type de contrôle pour représenter le fonctionnement d‟une station d‟épuration :

Asservissement du débit de recyclage de la liqueur mixte en fonction de la concentration en
nitrates de l‟effluent.

Asservissement du débit d‟air en fonction de la concentration en ammoniaque dans le réacteur.

Marche/arrêt du débit d‟air en fonction de la concentration en nitrates.
EnviroSim a développé un module de contrôle (BioWin Controller) pour BioWin pour permettre ces
contrôles. Le module fonctionne comme une application Windows séparée et échange avec BioWin via le
protocole COM (protocole standard pour le transfert d‟informations entre des applications Windows).
Ce module de contrôle inclus :

Contrôle Marche/arrêt – pour maintenir la variable contrôlée entre des limites hautes et basses.

Contrôle Marche/arrêt – pour maintenir une variable contrôlée à une valeur cible (avec bande
morte).

Contrôle Haut/bas – identique au contrôle Marche/arrêt, mais avec une valeur de consigne pour
la variable manipulée pouvant être supérieure à zéro dans l‟état arrêt (bas).

Boucle de contrôle proportionnelle (P)

Boucle de contrôle intégrale-proportionnelle (PI)

Boucle de contrôle dérivée-intégrale-proportionnelle (PID)
Au-delà de sa capacité à élargir considérablement les capacités de BioWin, le module contrôle dispose
également d‟une fonction de réglage (tuning) des paramètres des contrôle.
CAS D‟ETUDE : CONTROLE DE LA DIGESTION
ANAEROBIE
Ce cas d‟étude montre l‟intérêt de l‟application du module de contrôle de BioWin (BioWin Controller)
pour la simulation du fonctionnement d‟un digesteur aérobie.
Cours de 2 jours
85
L‟approche de contrôle consiste à supposer que la concentration en nitrates dans le digesteur sera suivie en
continu. L‟objectif du contrôle est de réaliser un fonctionnement marche/arrêt pour maintenir la
concentration en nitrates entre une valeur basse 0.5 et une valeur haute 3.0 mgN/L. L‟aération est donc
mise en marche lorsque la concentration diminue à 0.5 mg/L puis s‟arrête lorsqu‟elle dépasse 3.0 mg/L.
Pendant l‟aération le débit d‟air est de 43 200 m3/d (soit 1 800 m3/jour).
1. Démarrer le module de contrôle (BioWin Controller).
2. Cliquer sur File/Link to BioWin file …, puis choisir le fichier Extended aeration + aerobic
digester - controller.bwc. Attendre le temps que le module de contrôle rassemble toutes les
informations de BioWin.
3. Dans BioWin, double-cliquer sur le digesteur aérobie et vérifier que la méthode d‟aération est
bien en mode Débit d’air insufflé.
4. Vérifier que l‟option Utiliser la modélisation de l’oxygène est activée.
5. Modifier le Pas de temps de lecture de BioWin à 5 minutes (pour pouvoir mieux observer les
dynamiques).
6. Vérifier que le débit de chaux est à zéro.
7. Dans la fenêtre du « BioWin Controller », cliquer sur le bouton Add pour mettre en place un
contrôleur intitulé Marche/Arrêt Aération.
8. Cliquer sur le bouton Select Measured Variable puis sélectionner les Nitrates (N) du digesteur
aérobie.
9. Cliquer sur le bouton Select Manipulated Variable puis sélectionner le débit d‟air du digesteur
anaérobie.
10. Spécifier le type de contrôle (Control Type) : On/Off.
11. Spécifier les valeurs haute et basse pour les nitrates : 3.0 et 0.5 mgN/L.
12. Spécifier la valeur de fonctionnement pour l‟aération à 43 200 m3/j (1800 m3/h)
13. Laisser l‟intervalle du contrôleur à 1 minute pour ce cas.
14. Laisser le contrôleur en mode inversé (Reverse controller action) non activé ; càd que la mise en
marche de l‟aération se fait lorsque la concentration atteint la limite basse et s‟arrête lorsque la
limite haute est dépassée.
15. Démarrer une simulation dynamique pour 1 jour.
16. Basculer sur BioWin et ouvrir l‟Album pour observer ce qu‟il advient des nitrates, du débit d‟air et
du pH dans le digesteur.
86
Cours de 2 jours
FIGURE 1. INTERFACE DU CONTROLEUR DE BIOWIN POUR UNE AERATION ON/OFF.
AUTRES FONCTIONNALITES DU CONTROLEUR
La stratégie de contrôle appliquée dans la section précédente a permis de maintenir la concentration de
nitrate dans le digesteur entre 0.5 et 3.0 mgN/L. Cependant, le la concentration en oxygène a dépassé 2
mgO2/L lors des phases d‟aération.
Nous allons maintenant considérer la même stratégie de contrôle à laquelle s‟ajoute une contrainte sur la
valeur de la concentration en oxygène lors des phases d‟aération. Une valeur de consigne sera donc
imposée lors que l‟aération sera en marche. La valeur « on setting » du contrôleur Marche/arrêt (on/off)
devra donc être ajustée en fonction des valeurs de concentration en oxygène dissous. Ce principe est
appelé un contrôle en cascade.
Un contrôleur intégrale-proportionnel (PI) sera utilisé pour asservir le débit d‟air au point de consigne en
oxygène (2 mgO2/L) dans le digesteur.
Réaliser la séquence d‟étapes suivantes :
1. Installer le contrôleur marche/arrêt pour l‟aération (On/Off aeration) tel que spécifié dans la
section précédente.
2. Cliquer sur le bouton ajouter pour mettre en place le contrôleur nom Consigne O2 (DO
setpoint).
3. Cliquer sur le bouton Select Measured Variable (Sélection de la variable mesurée) et sélectionner
l‟oxygène dissous dans le digesteur.
4. Cliquer sur le bouton Select Manipulated Variable (Sélection de la variable asservie) et choisir
On setting du contrôle Marche/arrêt de l’aération (On/off aeration) [Auparavant le contrôleur
marche arrêt imposait une valeur fixe au débit d‟air insufflé, maintenant il s‟agit de rendre variable
la consigne sur ce débit pour maintenir l‟oxygène à sa valeur de consigne].
5. Spécifier le type de contrôle (Control Type) : intégrale-proportionnel (PI).
6. Saisir la valeur de la consigne en oxygène dissous à 2 mgO2/L.
Cours de 2 jours
87
7. Spécifier un gain proportionnel de 10 000 (m3/d)/(mg/L).
8. Entrer la valeur 10 minutes pour le paramètres « reset time ».
9. Laisser le paramètre « offset » à 0 m3/d.
10. Spécifier les valeurs limites pour le débit d‟air à 0 et 50 000 m3/d.
11. Laisser l‟intervalle du contrôleur à 1 minute pour coïncider avec l‟intervalle du contrôleur
Marche/arrêt de l‟aération.
12. Cliquer sur « Start Simulation » pour réaliser une simulation d‟une journée.
13. Basculer sur BioWin et ouvrir l‟Album pour observer ce qu‟il advient du débit d‟air et de la
concentration en oxygène dans le digesteur.
14. Essayer de changer les paramètres du contrôleur PI. Est-ce que le contrôleur est bien paramétré ?
FIGURE 2. CONTROLEUR DE BIOWIN AVEC CONTROLES EN CASCADE : ON/OFF ET PI.
88
Cours de 2 jours
BIOREACTEURS A
MEMBRANES
CONFIGURER UN SYSTEME BRM DANS BIOWIN
Cette section montre comment simuler un système de bioréacteur à membranes (BRM). Deux cas seront
étudiés :

Un BRM simple.

Un BRM avec abattement des nutriments.
UN BRM SIMPLE
Pour cet exemple, un bioréacteur est associé à une unité de séparation de phase (élément
« déshydratation » tel que présenté dans le schéma BioWin ci-dessous). Les caractéristiques utiles
du système sont les suivantes :

Bioréacteur : Volume = 2.68 million US gallons; profondeur = 16.4 ft; Consigne O2 = 2 mg/L.

Unité de séparation de phase (élément déshydratation) : Soutirage [B]= 10 mg/j (constant) ;
Rendement d‟élimination (des solides) 99.75%.

Débit dérivé du séparateur : 1.072 mg/j.

Température hivernale : 14°C.
FIGURE 1. SCHÉMA BRM SIMPLE.
Cours de 2 jours
89
1. Basculer sur le système d‟unité US (Million Gallons and mg/j via le menu Projet/Options du
projet actif … ) et construire le schéma tel que montré ci-dessus.
2. Double cliquer sur l‟élément eaux usées et cliquer sur le bouton Modifier les données pour
ouvrir le tableau d‟entrée des données. Entrer les données ci-dessous (conserver la valeur par
défaut pour les données qui ne sont pas spécifiées ci-dessous) :
Débit
9.87
DCOt
755
NTKt
56
P Total
8
N-NO3
0
Alcalinité
6
MMS
43
O2
0
3. Faire une simulation en régime permanent pour vérifier que toutes les données nécessaires ont été
spécifiées.
4. Utiliser la commande Fichier/Enregistrer Sous … pour sauvegarder ce schéma sous le nom
BRM simple.bwc.
5. Ajouter un tableau à l‟Album avec :
Eléments : Eaux usées, Bioréacteur, Séparation.
Paramètres : MVS, MES, NO3 NH3, PO4, Alcalinité.
6. Réaliser une simulation en régime permanent. Noter les MES du bioréacteur.
7. Ajouter un calculateur d‟âge de boue. Cliquer sur Projet puis sur Age de boue Actif … ,
Sélection des éléments pour la masse de boue tot. et sélectionner le bioréacteur. Cliquer sur
sélection des éléments pour l‟extraction … et sélectionner l‟élément boue. Au bas de la section
gauche de la barre de statut de la fenêtre principale, vérifier que l‟âge de boue du système est bien
apparent. Quel est cet âge de boue ?
8. Le système peut-il nitrifier à cet âge de boue ? Que donnerait la conversion de ce système en un
BRM ?
9. Double cliquer sur l‟unité de séparation solide/liquide et accéder à l‟onglet Fonctionnement pour
changer le rendement d‟élimination à 100%. Modifier le débit de soutirage à 200 mg/j sur l‟onglet
répartition du débit.
10. Dans une configuration BRM, il sera possible d‟atteindre une concentration en MVS plus haute et
l‟extraction de boue déterminera l‟âge de boue. Double cliquer sur le séparateur et accéder à
l‟onglet répartition du débit et changer le taux d‟extraction à 0.2233 mg/j. Répéter la simulation
en régime permanent et noter la concentration en MES du bioréacteur, l‟âge de boue du système
et la concentration en NH3 de l‟effluent. Est-ce que le système nitrifie ?
BRM AVEC ABATTEMENT DES NUTRIEMENTS
Dans ce cas, le BRM considéré inclus un abattement biologique des nutriments avec précipitation chimique
pour la réduction du phosphore de l‟effluent.
Ouvrir le fichier BNR MBR.bwc et parcourir la configuration du système.
90
Cours de 2 jours
FIGURE 2. BRM AVEC ABATTEMENT DES NUTRIMENTS.
SIMULATIONS EN REGIME PERMANENT
L‟objectif de cet exercice est de réaliser des simulations en régime permanent et d‟observer les interactions
intéressantes entre les processus. Réaliser la séquence d‟étapes suivantes :
1. Réaliser une simulation en régime permanent. Ouvrir l‟Album et observer le profil de
concentration de MES à travers les ouvrages (onglet TSS Profile). Observer également les
concentrations en PO4, NO3 et NH3 de l‟effluent. D’où vient la consommation d’oxygène (OUR) dans
l’ouvrage non aéré RAS-DeOX DeNite ?
2. Double cliquer sur le séparateur intitulé Aerobic Recycle (juste en dessous de l‟élément ZW Tank),
puis aller sur l‟onglet Répartition du débit et modifier l‟asservissement du débit à 600% du débit
d‟entrée (influent). Lancer une simulation en régime permanent et observer les paramètres
suivants :
a.
PO4 de l‟effluent
b. NO3 de l‟effluent
c.
Consommation d‟oxygène (OUR) dans l‟élément RAS-DeOx DeNite
3. Comment expliquer ces changements ?
4. Répéter les étapes ci-dessous mais cette fois en diminuant l‟asservissement du débit (qui était à
l‟origine de 400%) à 200%. Qu’advient-il des concentrations en PO4 et NO3 de l’effluent ? Quelles
informations cela apporte-t-il sur le traitement de l’azote et du phosphore ?
5. Remettre l‟asservissement du débit du répartiteur à 400% du débit d‟entrée et observons le
séparateur RAS splitter : il recycle actuellement 85% des boues (RAS) vers la zone Swing et 15%
vers la zone RAS-DeOx DeNite. Vérifier ces informations en survolant le séparateur avec la
souris notamment au niveau de son entrée, et de ses sorties principale et latérale.
Cours de 2 jours
91
6. Modifier la répartition de débit du séparateur RAS splitter de sorte que toute la boue (RAS) soit
dirigée vers la zone RAS-DeOx DeNite. Double cliquer sur cet élément et mettre la fraction
[D/(D+P)] à zéro. Réaliser une simulation en régime permanent et observer les concentrations en
PO4, NO3 et NH3 de l‟effluent ainsi que le profil de concentrations des solides et des phosphates à
travers les ouvrages.
TABLEAU 1. CARACTERISTIQUES D’UN SYSTEME BRM AVEC TRAITEMENT DES NUTRIMENTS.
Recyclage
(%)
Séparateur RAS
DeOx / Swing
(% / %)
400
15 / 85
600
15 / 85
200
15 / 85
400
100 / 0
Effluent
N-NH3
(mgN/L)
Effluent
N-NO3
(mgN/L)
Effluent
P-PO4
(mgP/L)
OUR dans
RAS DeOx
(mg/L/hr)
IMPACT DE L‟AJOUT DE CHLORURE FERRIQUE
1. Remettre la fraction de débit latéral du séparateur RAS splitter à 0.85.
2. Augmenter le dosage du Fer de 50 à 100 gallons pour jour. Simuler un régime permanent et
observer les changements éventuels en termes concentrations d‟azote ou de phosphore de
l‟effluent. L’abattement biologique du phosphore a-t-il encore lieu ?
3. Augmenter à nouveau le dosage de 100 à 150 gallons par jour. Simuler à un régime permanent
dans ce contexte de surdosage et observer les changements éventuels en termes concentrations
d‟azote ou de phosphore de l‟effluent. L’abattement biologique du phosphore a-t-il encore lieu ?
IMPACT DES BOUCLES DE RECYCLAGE SUR LA GESTION
DES SOLIDES
1. Remettre le dosage du fer à 50 gallons par jour.
2. Le flux « solids train recycle » provient d‟un digesteur : l‟ajout de produits chimiques en amont a
déjà permis réduit le phosphore de cet effluent. Observons ce qu‟il advient de l‟effluent du BRM
lors que réduction n‟est pas opérée.
3. Ouvrir l‟élément Solidstrain recycle et cliquer sur le bouton modifier les données pour
augmenter la concentration en phosphore total PT de 50 à 700 mgP/L. Que devient la
concentration en PT du perméat dans ces conditions ? Survoler la canalisation entre la zone
ZeeWeed et Permeate. Noter le flux massique de phosphore total PT. Survoler ensuite la
canalisation venant de l‟élément Solids train recycle et noter aussi le flux massique de PT.
Comment cette quantité peut être comparée à celle du PT du perméat ?
92
Cours de 2 jours
MODELISATION DES
BIOFILMS
LE MODELE DE BIOFILM
BioWin dispose d‟un modèle avancé de biofilm. Dans la version 3 de BioWin ce modèle a été implémenté
uniquement pour l‟élément Bioréacteur à support (Media Biorecator) ; ce qui représente ainsi les réacteurs
dont la liqueur mixte en suspension contient des supports en liberté (par exemple le système IFAS :
integrated fixed-film activated sludge ; ou MBBR : moving bed bioreactor/réacteur biologique à lit mobile).
L‟élément Bioréacteur à support peut également être utilisé pour modéliser convenablement d‟autres types
de système de biofilms tels que les « lits ruisselants » (trickling filters), les filtres biologique aérés (biological
aerated filters) ou les filtres/lits de dénitrification tertiaire. Pour plus d‟informations sur le modèle biofilm
consulter le chapitre de la rubrique Aide (Help).
Cette section propose une application du modèle de biofilm à un système IFAS où l‟objectif est
d‟améliorer les performances de dénitrification.
SYSTEME IFAS SIMPLE
Le but est d‟évaluer l‟impact du recyclage sur un système de boues activées « 3-pass » avec un support
IFAS pour pousser les performances de nitrification. La mise à jour de ce système inclut l‟ajout de
supports dans les deuxième et troisième « passes ». La moitié du premier « pass » restera non aérée pour
obtenir un certain niveau de dénitrification. Le système est présenté dans la fenêtre BioWin ci-dessous.

Débit d‟entrée = 14,000 m3/j

Taux d‟élimination des solides PST = 55%.

Bioréacteur : volume = 3 456 m3, profondeur = 4.5 m.

Consigne en O2 =2 mg/L dans la partie aérée du Pass 1 ; 3 mg/L dans les zones IFAS.

Recyclage des liqueurs mixtes = 14400 m3/j.

Age de boue = 6.3 jours.

Température : Eté = 20°C ; Hiver = 11°C.

Air spécifique des supports = 375 m2/m3.

Volume spécifique des supports = 0.1 m3/m3.

Remplissage du réacteur IFAS = 30%.
Cours de 2 jours
93
FIGURE 1. SYSTEME 3-PASS AVEC SUPPORT IFAS.
Le modèle de biofilm requiert des calculs intensifs; les itérations pour le régime permanent pour ce système
peuvent prendre environ 60 secondes entre chaque. Pour accélérer cette démonstration, la configuration
est simplifiée. Les quatre zones IFAS des « passes » 2 et 3 peuvent être combinées en une seule zone IFAS
comme montré sur le schéma ci-dessous.
FIGURE 2. SIMPLIFIED SYSTEME 3-PASS AVEC SUPPORT IFAS SIMPLIFIE.
1. A partir du classeur d‟exemples de BioWin, sélectionner le schéma IFAS simplified. Sauvegarder
ce schéma dans le répertoire de travail créé pour la formation.
94
Cours de 2 jours
2. Vérifier que la température du système est bien 20°C (été) et simuler un régime permanent (à
partir des Valeurs actuelles).
3. Survoler le réacteur IFAS et observer les informations disponibles dans les tableaux de l‟interface
de BioWin. Reporter les concentrations des espèces azotées de l‟effluent dans le tableau 16.1.
4. Baisser la température à 11°C (hiver) et simuler à nouveau un régime permanent (à partir des
Valeurs actuelles). Reporter les concentrations des espèces azotées de l‟effluent dans le tableau
16.1.
5. Evaluer à quel point le système pourrait fonctionner en hiver sans les supports IFAS. Double
cliquer sur chaque réacteur IFAS et sur l‟onglet Spécification du support et du modèle,
décocher l‟option inclure le support.
6. Simuler un régime permanent (à partir des Valeurs actuelles), et reporter les concentrations des
espèces azotées de l‟effluent dans le tableau 16.1.
TABLEAU 1. PERFORMANCES DU SYSTEME IFAS.
Remplissage
(%)
Température
(°C)
30
20
30
11
0
11
Cours de 2 jours
Effluent
N-NH3
(mgN/L)
Effluent
N-NO2
(mgN/L)
Effluent
N-NO3
(mgN/L)
95
96
Cours de 2 jours
DIGESTION ANAEROBIE
INTRODUCTION
Dans les versions précédentes de BioWin, le pH de fonctionnement du digesteur était spécifié par
l‟utilisateur. Ce n‟est plus nécessaire maintenant que le pH est calculé. Cependant, l‟utilisateur peut toujours
forcer la valeur du pH à une autre (fixe notamment) que celle calculée. Trois exemples de digestion
anaérobie vont être considérés :

La digestion anaérobie du glucose

La digestion d‟un mélange de boues primaires et de boues activées extraites

La fermentation de la boue primaire pour l‟amélioration du traitement biologique du phosphore.
DIGESTION ANAEROBIE DU GLUCOSE
La stœchiométrie par défaut de BioWin correspond aux systèmes de traitement des eaux uses municipales.
Dans le cas d‟eaux usées synthétiques telles que le glucose, il est nécessaire de modifier une de ces valeurs
par défaut : le rendement de production de CO2 (lors de la fermentation à basse pression partielle d‟H2) qui
passe de 0.7 à 1.0.
Dans le cas de cet exemple, un digesteur anaérobie est opéré avec temps de rétention hydraulique de 10
jours avec du glucose comme influent. Le flux de glucose, avec une DCO de 10 000 mg/L est spécifiée en
tant que variable d‟état d‟entrée (State Variable SV) [SBSC = 10,000 mg/L].
FIGURE 1. DIGESTION ANAEROBIE DU GLUCOSE.
De l‟azote et du phosphore doivent être ajoutés à l‟effluent pour les besoins de synthèse de la biomasse.
Cours de 2 jours
97
Note : BioWin prendre en compte les paramètres suivants en tant que variables d‟état :

Les carbonates (CO2, HCO3-, CO32-)

L‟azote ammoniacal (NH3, NH4+)

Les phosphates (H3PO4, H2PO4-, HPO42-, PO43- and PO4 in metal complexes)

Le fer et l‟aluminum

Le calcium and magnesium
Le calcul du pH et de la distribution des espèces inclut l‟équilibre de charges, ainsi les concentrations des
autres cations et anions doivent aussi être spécifiées. Ceci est réalisé par la définition de deux autres
variables d‟état qui rassemblent les concentrations de ces autres espèces d‟ions :

Les autres cations (e.g. K, Na, …)

Les autres anions (e.g. Cl, …)
Pour cet exemple, il est admis que l‟ajout d‟azote pour la synthèse de la biomasse se fait sous forme de
NH4Cl à une concentration de 500 mgN/L.
N-NH4 = 500/14 = 35.7 meq/L
anions Cl = 35.7 meq/L
L‟ajout de phosphore pour la synthèse de la biomasse est réalisée avec du K2HPO4 à une concentration de
100 mgP/L.
P-PO4 = 100/31 = 3.2 meq/L
Cations K = 6.4 meq/L
Une solution tampon est également nécessaire :
Càd une ajout de 45 meq/L of NaHCO3
Cations Na = 45 meq/L
CO2 = 45 meq/L
Total „Autres‟ Anions = 35.7 meq/L
Total „Autres‟ Cations = 6.4 + 45 = 51.4 meq/L
Un principe de base pour la production est qu‟environ 0.35 m3 de méthane est produit par kg de DCO
consommée. Dans cet exemple le taux de production est de 5.38 m3/j à 55.66% de méthane = 2.99 m3/j
de méthane. Le « delta » de DCO est 10.0 – 1.66 = 8.34 kgDCO/j. Ce qui correspond à 0.36 m3 de
méthane par kg de DCO.
DIGESTION DES BOUES PRIMAIRES ET DES
BOUES EXTRAITES
Dans cet exemple les boues primaires et les boues activées extraites sont combinées pour un traitement de
digestion anaérobie. Le système traite les nutriments avec abattement biologique du phosphore.
Les caractéristiques utiles du système sont données ci-dessous :

98
Débit d‟eaux usées constant 10 ML/d [DCO = 600 mg/L; NTK = 40 mgN/L; PT = 8 mgP/L].
Cours de 2 jours

Rendement d‟élimination des solides du décanteur primaire : 60% avec soutirage de 1% du débit
d‟entrée = 100 m3/j.

Le process Three-stage Bardenpho est opéré à un âge de boue de 10 jours. L‟extraction des boues
recyclées est dirigée vers un épaississeur gravitaire ; le débit d‟extraction est 150 m3/j.

Le soutirage de l‟épaisseur (45 m3/d) est combiné avec la boue primaire pour être dirigé vers le
digesteur anaérobie.

Ce digesteur anaérobie est opéré à 36°C avec un temps de résidence hydraulique de 20 jours.
FIGURE 2. DIGESTEUR ANAEROBIE DE BOUES PRIMAIRES ET DE BOUES ACTIVEES EXTRAITES.
1. Ouvrir le fichier WAS and Primary Digestion.bwc.
2. Parcourir les conditions de fonctionnement du système de boues activées et du digesteur
anaérobie.
3. Réaliser une simulation en régime permanent. Observer les performances. Ouvrir l‟Album et
parcourir les détails spécifiques au digesteur anaérobie.
4. Utiliser l‟explorateur pour relever les concentrations des variables d‟état dans le digesteur. En
particulier pour le Mg, l‟azote ammoniacal et les phosphates. Que se passe-t-il ?
5. Avec l‟objectif de calibrer le digesteur anaérobie à partir des données du système, il serait
souhaitable d‟ajuster le taux de « destruction » des matières volatiles en suspension. Ce processus
est majoritairement contrôlé par le taux d‟hydrolyse de la DCO particulaire biodégradable. Utiliser
l‟explorateur pour observer la concentration en DCO particulaire biodégradable. A partir du
menu Projet/Paramètres/Cinétiques … augmenter la vitesse d’hydrolyse (BA) [onglet Xhet Hétérotrophes]. Noter l‟impacter de ce changement sur la concentration en DCO soluble
biodégradable et la « destruction » des MVS.
Cours de 2 jours
99
FERMENTATION DES BOUES PRIMAIRES
Cet exemple présente un système de fermentation des boues primaires.
Les boues primaires sont acheminées vers un système fermenteur/clarificateur avec une extraction à partir
du clarificateur pour permettre un maintien de l‟âge de boue à environ 6.4 jours dans le fermenteur.
Un séparateur est inclus dans le schéma pour permettre aux produits de fermentation d‟être dirigés vers le
système de boues activées ou d‟être extraits.
FIGURE 3. FERMENTATION DE BOUES PRIMAIRES POUR AMELIORER UN SYSTEME BIOP.
1. Ouvrir le fichier Primary fermentation for bioP.bwc.
2. Parcourir les conditions de fonctionnement du système de boues activées et du fermenteur.
3. Remarquer les deux âges de boue calculés à partir de l‟onglet Calculateurs ; un pour le système de
boues activées et l‟autre pour le fermenteur.
4. Pour le cas de base, extraire tous les effluents du fermenteur (aucun retour dans le système de
boues activées) et réaliser une simulation en régime permanent. Observer les performances en
termes de formation d‟acides gras volatiles (AGV), de pH du fermenteur, et d‟abattement du
phosphore et de l‟azote. Reporter les résultats dans le tableau 1 [Voir l‟album].
5. Réaliser trois simulations en régime permanent en ajoutant respectivement, 1/3, 2/3 et la totalité
de l‟effluent du fermenteur vers le système de boues activées. Entrer les résultats dans le tableau
17.1.
100
Cours de 2 jours
TABLEAU 1. FERMENTATION DES BOUES PRIMAIRES POUR L’AMELIORATION D’UN SYSTEME BIOP.
Débit
Fermenteur ->
Boues
activées
(L/j)
0
AGV
fermenteur
(mgDCO/L)
AGV vers
boues
activées
(mgCOD/L)
NTK vers
boues
activées
(mgN/L)
PT vers
boues
activées
(mgP/L)
Effluent
N-NO3
(mgN/L)
Effluent
P-PO4
(mgP/L)
-
44.6 (0.33)
90.5 (0.67)
135
Cours de 2 jours
101
102
Cours de 2 jours
PRECIPITATION DE
STRUVITE
PRECIPITATION DE LA STRUVITE, DU HDP ET
DU HAP
Le modèle inclus les réactions de précipitation spontanée de la struvite ((NH4)MgPO4·6(H2O)), de la
HDP (hydroxy-dicalcium-phosphate – Ca2HPO4(OH)2) et de l‟HAP (hydroxy-apatite – Ca5(PO4)2OH).
Cette section présente brièvement les principes de la modélisation de la formation de la struvite.
PRINCIPE DE LA PRECIPITAION DE LA
STRUVITE
BioWin est basé sur un modèle intégré boues activées/digestion anaérobie (ASDM) complété par la chimie
de l‟eau, la simulation du pH et différentes réactions chimiques. La formation de struvite apparaît
généralement dans les digesteurs ou dans leurs effluents (en particulier lorsqu‟il y a une augmentation du
pH). La condition nécessaire pour la formation de struvite est la présence des ions magnésium, ammonium
et phosphate à un pH qui favorisent la précipitation. Ces conditions peuvent être rencontrées dans les
boues extraites des systèmes traitant l‟azote biologiquement. Par exemple :
1. Abattement du magnésium, de l’ammoniaque et du phosphore Processus bioP : le modèle
prédit l‟abattement du phosphore et le stockage/relargage des polyphosphates (poly-P) à travers
les réacteurs anaérobies, anoxies et aérobies. En parallèle de la formation des poly-P, le magnésium
et les autres cations sont stockés par la biomasse selon un coefficient stœchiométrique déterminé
expérimentalement. L‟assimilation de l‟azote est basée sur la teneur en N de la biomasse. La
biomasse contenant un stockage de phosphore et de cations (notamment le magnésium) ainsi que
l‟azote est retirée du système via l‟extraction des boues puis dirigée vers le digesteur anaérobie.
2. Transport vers le digesteur : le modèle intégré ASDM est basé sur une matrice unique ; ainsi la
continuité et l‟équilibre de masse sont maintenus automatiquement en terme de Mg, N, P et de
tous les autres composés.
3. Relargage du magnésium, en ammoniaque et en phosphore dans le digesteur : les
processus de dégradation anaérobie sont inclus dans un modèle de digestion anaérobie à quatre
populations. Ce qui résulte en un relargage de phosphates, de cations associés aux PolyP
(notamment le magnésium) et d‟azote organique qui est converti en ammoniaque.
4. Système acide-base (faibles) dans le digesteur : Le modèle d‟équilibre du pH prend en compte
les différentes espèces dans le digesteur (phosphates, carbonates, ammoniaque, nitrates, acétate,
propionate, calcium, magnésium et autres acides et bases), ainsi que les transferts de gaz du CO2 et
de l‟ammoniaque. Ce module calcule le pH actuel et les variations de pH dans le digesteur (ainsi
que dans toute la station).
5. La formation de struvite : la précipitation de la struvite est décrite selon l‟équation de solubilité
de l‟équilibre chimique [l‟implémentation est cinétique pour des raisons de contrainte numériques,
Cours de 2 jours
103
voir la référence Musvoto et al., (2000)]. Ce processus est sensible au pH car il impacte la
spéciation de l‟ammoniaque et des phosphates. L‟équation d‟équilibre de solubilité est :
[Mg2+][NH4+][PO4 3-] = KspStruvite
Selon cette équation d‟équilibre, si les concentrations en ammoniaque, phosphates et magnésium sont
présentes, la struvite peut même se former à un pH inférieur à 7.0. Par exemple, dans le système présenté
sur la figure 18.1 ci-dessous avec des concentrations d‟ammoniaque de 130 mgN/L, d‟ortho-phosphate de
140 mgP et de magnésium de 110 mgMg/L. Dans ces conditions la formation de struvite intervient à partir
d‟un pH de 6.6.
D‟autre part, si l‟un ou plusieurs des ions est/sont présent(s) à faible concentration, un pH plus élevé sera
alors nécessaire pour la formation de struvite. L‟exemple montré sur la figure 18.2 ci-dessous correspond à
des concentrations d‟ammoniaque de 30 mgN/L, d‟ortho-phosphate de 50 mgP et de magnésium de 20
mgMg/L. Dans ces conditions la formation de struvite intervient à partir d‟un pH de 8.0.
FIGURE 1. STRUVITE (MGTSS/L) / PH CONCENTRATIONS ELEVEES DE N,P,MG.
104
Cours de 2 jours
FIGURE 2. STRUVITE . STRUVITE (MGTSS/L) / PH CONCENTRATIONS ELEVEES DE N,P,MG.
CAS D‟ETUDE: FORMATION DE STRUVITE DANS
ET APRES LE DIGESTEUR
Cet exemple poursuit le cas d‟étude présenté pour la digestion anaérobie des boues primaires et des boues
activées extraites à partir d‟un système bioP. L‟objectif est de rendre compte des conditions menant à la
précipitation de struvite dans et après le digesteur (où une augmentation de pH est attendue).
L‟effluent du digesteur est aéré dans un bioréacteur pour un court temps de résidence, ce qui cause une
augmentation de pH due au stripping du CO2. L‟objectif est de démontrer la précipitation potentielle de
struvite lorsque le flux sortant du digesteur est traité (ou déshydraté).
FIGURE 3. AERATION DE L’EFFLUENT D’UN DIGESTEUR POUR AUGMENTER LE PH.
Cours de 2 jours
105
1. Ouvrir le fichier WAS and Primary Digestion + Struvite.bwc.
2. Réaliser une simulation en régime permanent [noter que l‟option de modélisation de la struvite
n‟est pas encore activée]. Entrer les résultats dans le tableau 1.
3. Activer l‟option de modélisation de la précipitation de la struvite. Réaliser à nouveau une
simulation en régime permanent à partir des valeurs d‟ensemencement. Les résultats du modèle
semblent-ils raisonnables ? Est-ce que l‟abattement biologique du phosphore semble avoir lieu ?
Entrer les résultats dans le tableau 1.
Note: La constante représentant le taux de précipitation de la struvite a une valeur par défaut de 3 x 1010,
cependant le taux reporté dans la littérature est 3 x 1015. La valeur par défaut de BioWin est beaucoup plus
basse car les grands nombres causent un fort ralentissement des simulations dynamiques. Ainsi, pour le
calage de systèmes complexes il est recommandé d‟utiliser une valeur encore plus basse.
4. Appliquer un taux de précipitation de la struvite de 3 x 1015. Réaliser une simulation en régime
permanent et reporter les résultats dans le tableau 1.
TABLEAU 1. RESULTATS DE PRECIPITATION DE LA STRUVITE (CONCENTRATIONS EN MG/L)
Modèle
Struvite
(On/Off)
Zone aérée (pour augementation du pH)
Digesteur anaérobie
Mg
NH3
PO4
Struv
pH
Mg
NH3
PO4
Struv
pH
Off
On
On
On
106
Cours de 2 jours
SYSTEMES SBR
LE MODULE SBR DANS BIOWIN
BioWin inclut cinq types de réacteurs biologiques séquentiels (SBR – Single batch reactor) :

Un SBR à zone unique où l‟alimentation est introduite dans la zone décantation.

Un SBR où l‟alimentation est réalisée dans une pré-zone séparée de la zone de décantation mais
reliée hydrauliquement. Dans ce cas la pré-zone est non mélangée (càd qu‟elle est en mode
décantation lors que la zone de décantation l‟est aussi).

Un SBR où l‟alimentation est réalisée dans une pré-zone séparée de la zone de décantation mais
reliée hydrauliquement. Dans ce cas la pré-zone est toujours mélangée.

Un SBR avec deux pré-zones séparées de la zone de décantation mais reliées hydrauliquement.
Dans ce cas les pré-zones sont non mélangées (càd qu‟elles sont en mode décantation lors que la
zone de décantation l‟est aussi). BioWin permet des recyclages inter-zones.

Un SBR avec deux pré-zones séparées de la zone de décantation mais reliées hydrauliquement.
Dans ce cas les pré-zones sont toujours mélangées. BioWin permet des recyclages inter-zones.
Cours de 2 jours
107
CAS D‟ETUDE : SYSTEME SBR A DEUX BASSINS
Ce cas d‟étude présente la mise en place d‟un système SBR composé de deux réacteurs SBR en parallèles.
Les informations utiles de ce système sont les suivantes :

Pour SBR : surface carrée (80 ft x 80 ft); niveau haut de remplissage 21.1 ft.

Niveau minimum de décantation : 14 ft (soit 66% de la profondeur).

Cycles SBR :
Durée du cycl
6 heures (4 cycles par jour)
Eaux usées
3 hours (alterné)
remplissage/réact
3 h 56 min (226 min)
Début de decant
4 h 56 min
Aération
Arrêté en début de remplissage
Consigne O2 = 2 mg/L de 56 min à 3 h 56
min
Age de boue (A)
environ 20 jours
Température
15°C
FIGURE 1. SYSTEME SBR A DEUX BASSINS.
108
Cours de 2 jours
REGLAGE DE L‟EXTRACTION POUR A=20 JOURS
Consulter l‟aide de BioWin sur ce sujet (BioWin Examples/SBR examples/...Considerations).
En pratique, l‟extraction de la boue se fait à la fin du cycle de décantation, lorsque la boue est épaisse et
qu‟il suffit de prélever un petit volume. Cependant cela peut conduire à une certaine confusion concernant
la masse de boue extraite et donc dans le calcul de l‟âge de boue s‟il n‟y a pas d‟information sur la
compacité de la boue.
Pour simuler la gestion du SBR à un âge de boue ciblé, l‟approche suivante peut être utilisée :

15 minutes d‟extraction durant la période mélange (de la minute 221 à 236 dans ce cas).

Chaque SBR a un volume max de 1 million de gallons, qui baisse à 0.66 mgal durant la
décantation. En période normale le volume du SBR à la fin de chaque cycle est en moyenne
d‟environ 0.8 mgal (cela pourra être affiné plus tard).

L‟âge de boue cible est de 20 jours. Il faut donc extraire un 1/20ième du volume mélangé par jour ;
soit 0.8/20 = 0.04 mgal/jour.

Il y a 4 cycles par jour, il faut donc extraire 0.01 mgal par cycle.

Pour une extraction de 15 minutes, le débit durant cette période doit donc être: (0.01mgal/15min)
x 60 min/hr x 24 hr/jour = 0.96 mgd pour 15 minutes de 3h 41min à 3h 56min (221 min to 236
min).
MISE EN ROUTE DU SYSTEME
Les systèmes SBR ne fonctionnent jamais en régime permanent, cependant on peut envisager un système
atteignant un régime quasi permanent avec des cycles qui se répètent à l‟identique pour un profil de débit
charge entrante donné. L‟approche de mise en route d‟un SBR est proposée ainsi :

Simuler d‟abord 1 journée et vérifier que les volumes changent correctement.

Simuler ensuite pour une durée de 3 à 4 âges de boue (càd 60 à 80 dans le cas présent) en débutant
avec des Valeurs d’ensemencement. Cela permet au système d‟atteindre un régime quasi
permanent. Suivre les MES et observer le processus de décantation.

Enfin simuler 1 journée, en débutant avec les Valeurs actuelles (càd avec les valeurs obtenues
après au moins 60 jours de simulation).
1. Ouvrir le fichier Two tank SBR.bwc.
2. Parcourir la configuration du système.
3. Noter le décalage de cycle du SBR n°2. Ce décalage doit être perçu comme « A quel étape est le
SBR à t = 0 ». Dans cas à t = 0, le SBR n°1 commence sont remplissage et donc le SBR n°2 a fini
son propre remplissage et doit donc être avancé de 3 heures dans son cycle.
4. Réaliser une simulation en régime dynamique pour 1 journée en commençant avec Valeurs
d’ensemencement.
5. Ouvrir l‟Album et vérifier les variations de volume dans les deux SBR.
6. Réaliser une simulation dynamique de 60 jours.
7. Suivre la concentration en MES dans les SBR pour observer la décantation.
8. Partir manger !
Cours de 2 jours
109
FONCTIONNEMENT EN REGIME QUASI PERMANENT
Le schéma Two tank SBR.bwc a été utilisé pour une simulation de 60 jours.
1. Arrêter la simulation et ré-ouvrir le fichier Two tank SBR.bwc.
2. Regarder la réponse du système dans l‟Album.
3. Observer le comportement du traitement de l‟azote. Peut-il être amélioré ?
4. Est-ce que l‟abattement biologique du phosphore a lieu dans le système ?
5. Tracer les courbes de concentrations des phosphates solubles dans les unités SBR et dans les
sorties « decants ». Relancer la simulation pour 1 journée à partir des Valeurs actuelles.
110
Cours de 2 jours
SYSTEMES DE CHENAUX
D‟EPURATION
INTRODUCTION
La simulation des chenaux d‟épuration/d‟oxydation requiert une attention particulière sur les points
suivants :

L‟approche générale de la configuration d‟un chenal d‟épuration dans BioWin.

La détermination du taux de recirculation dans le chenal.

Les flux d‟oxygène (notamment « comment l‟oxygène circule dans le chenal »).

La nitrification-dénitrification simultanée (SND)
Ces aspects sont explorés dans deux cas d‟étude sur les chenaux d‟épuration.
Note : la modélisation de l‟oxygène doit toujours être active dans le cas des chenaux d‟épuration.
CONFIGURATION D‟UN SYTEME DE CHENAL
D‟EPURATION
L‟approche employée dans BioWin pour simuler ces systèmes est de diviser le chenal en une série de
réacteurs parfaitement mélangés. Pour configurer ce genre de système dans BioWin, des éléments
« bioréacteur » sont placés en série et correspondent à un schéma conceptuel de zones numérotées. Deux
exemples sont présentés ci-dessous :
FIGURE.1. SCHEMA BIOWIN POUR UN CHENAL D’EPURATION SIMPLE.
Cours de 2 jours
111
FIGURE 2. SCHEMA BIOWIN POUR UN CHENAL D’EPURATION DU TYPE HALO.
TAUX DE RECIRCULATION DANS LE CHENAL
Un taux de recirculation de la liqueur mixte doit être appliqué lors de la mise en place d‟une telle
configuration dans BioWin. Habituellement, il faut raisonner en termes de fraction recyclée : rapport entre
le débit dans le chenal et le débit d‟eaux usées entrant. Cela permet de représenter la vélocité du flux
linéaire dans le chenal. Généralement un chenal est dimensionné sur la base d‟une vélocité linéaire
d‟environ 1 ft/sec (0.3 m/s). Des exemples d‟estimation sont proposés ci-dessous.
Si le chenal d‟épuration existe, il faut considérer les dimensions réelles du chenal. Dans le cas de cet
exemple la profondeur est de 4 m et la largeur de 5 m ; la vélocité linéaire est de 0.3 m/s [Cette dernière
peut être mesurée]. Pour obtenir cette vélocité de 0.3 m/s dans le chenal, le débit requis dans le chenal est
calculé comme suivant :
Aire de calcul du débit  5 m  4 m  20 m 2
Débit dans le chenal  Aire de calc. du débit  Vélocité Linéaire (dimens.)
 20 m 2  0.3 m/s 
60 s 60 min 24 h


min
h
j
 518,400 m 3 / j
Alternativement, on peut considérer le dimensionnement d‟un nouveau chenal avec un rapport longueur
sur largeur de 6/1, tel que ci-dessous:
112
Cours de 2 jours
6W
0.5W
W
*
*
0.5W
Avec les hypothèses suivantes :
TempsRésidenceHydraulique  18 hours
Débit Entrant  10,000 m 3 / d
Profondeur  4 m
Vélocité Linéaire (dimens.)  0.3 m/s
Ce qui permet le raisonnement suivant :
Volume du chenal  7,500 m 3
7,500 m 3
 6 W 2
4m
Soit, W  17.68 m
Aire du chenal 
Largeur du chenal  8.84 m
Aire pour le calcul du débit  8.84 m  4 m  35.36 m 2
Débit dans le chenal  Aire Calc. Débit  Vélocité Linéaire (dimens.)
 35.36 m 2  0.3 m/s 
60 s 60 min 24 h


min
h
j
 916,530 m 3 / j
Soit la fraction de recyclage  91.6
Pour appliquer la vélocité de débit requise dans le chenal, il faut spécifier le débit dans le flux principal
(Débit Principal Fixe [P]) au niveau du séparateur où le flux quitte le chenal vers le clarificateur.
CAS D‟ETUDE: NIT/DENIT SIMULTANEES DANS
UN CHENAL D‟EPURATION
L‟hypothèse dans BioWin est que les bioréacteurs sont parfaitement mélangés et que les concentrations de
tous les composés (notamment l‟oxygène) sont uniformes partout dans le réacteur. Cette hypothèse n‟est
pas valable dans les chenaux d‟épuration. En tout point du chenal il est probable que (a) la concentration
en solides augmente entre la surface et le fond et (b) qu‟il y ait une concentration décroissance en oxygène
Cours de 2 jours
113
de la surface vers la base. Ce ne sont donc pas des conditions de mélange idéal, ce qui résulte en un
phénomène de nitrification/dénitrification simultanée (SND) significatif dans le système.
Dans BioWin la transition entre les processus aérobies et anoxiques est contrôlée par des fonctions de
bascule (« switching function »). Par exemple :
Taux AEROBIE  
Taux ANOXIE  
 O2

S
Z 

KS  S
 K O 2  O2 


O2
S
Z  1 

KS  S
 K O 2  O2 
TauxTOTAL  Taux AEROBIE  Taux ANOXIE
Dans BioWin la valeur par défaut de KO2 pour la croissance de la biomasse hétérotrophe est 0.05 mgO2/L.
Pour une concentration de 2 mgO2/L, le taux aérobie est « actif » à 98% et le taux anoxie est « actif » à 2%.
Ainsi, avec les valeurs par défaut à une concentration en oxygène de 2 mgO2/L, il n‟y a quasiment pas de
croissance anoxie (et donc pas de dénitrification simultanée).
Dans les chenaux d‟épuration, la valeur de KO2 peut être adaptée (augmentée) pour permettre la nit/dénit
simultanée. Cependant, il faut noter que les chenaux d‟épuration sont très « interactifs », et que KO2 doit
être modifié avec prudence. Il y a principalement trois facteurs principaux qui interagissent :
1. La concentration en oxygène au niveau de l‟aérateur : avec le taux de recirculation, ce paramètre
détermine le profil et le taux de perte tout au long du chenal. Modifier la concentration en oxygène
au niveau de l‟aérateur modifie le profil de concentration dans le chenal et donc le potentiel de
dénitrification.
2. Le taux de recirculation : les chenaux ont habituellement un taux de recirculation d‟environ 50 à
150 :1 (dimensionnement typique pour une vélocité de 0.3 m/sec). S‟il y a une valeur de consigne
en oxygène au niveau de l‟aérateur, alors le profil de concentration en oxygène (et la nit/denit
simultanée potentielle) sera affectée si le taux de recirculation change. [Pour appliquer la vélocité
de débit requise dans le chenal, il faut spécifier le débit dans le flux principal (Débit Principal
Fixe [P]) au niveau du séparateur où le flux quitte le chenal vers le clarificateur].
3. La constante de demi-saturation KO2 : sa valeur est un « degré de liberté » pour forcer le calage sur
les nitrates de l‟effluent. Augmenter KO2 augmente le taux de nit/denit simultanée et diminue par
conséquent les nitrates dans l‟effluent. Ainsi il est possible de réduire les nitrates autant que
nécessaire par nit/denit simultanée.
En général, l‟approche doit consister à appliquer un taux de recirculation aussi précis que possible (de
même que pour la capacité de transfert d‟oxygène des aérateurs), de façon à ce que le profil en oxygène soit
correct et ensuite seulement on peut « jouer » sur KO2. Une valeur suggérée pour KO2 dans les systèmes de
chenaux d‟épuration est 0.45 mgO2/L. On peut également trouver la valeur 0.3 mgO2/L dans la littérature
[Au cours de la journée, si la puissance des aérateurs change, il peut être souhaitable de spécifier une
variation journalière du taux de recirculation dans le chenal].
Nous allons maintenant illustrer certains de ces effets. Réaliser la séquence d‟étapes suivante :
1. Un exemple issu du “classeur de BioWin” sera utilisé. Sélectionner le schéma One pass
oxidation ditch with surface aeration.bwc (voir la figure 20.1).
2. Consulter la valeur du Coef de demi sat. de l’O2 pour la dénit aérobie (KO2) dans le menu des
paramètres cinétiques. Remettre la valeur par défaut et réaliser une simulation en régime
permanent.
114
Cours de 2 jours
3. Ouvrir l‟Album et observer le profil de concentration en oxygène dans le chenal. Noter la
concentration d‟oxygène dans le réacteur 4.
4. Mettre en place l‟affiche du profil des nitrates dans l‟Album. Quelle concentration en nitrate peut
être attendue dans l‟effluent?
5. Modifier la consigne en oxygène au niveau des aérateurs en l‟augmentant de 1.5 à 2.0 mg/L.
Simuler à nouveau un régime permanent, et noter le profil de concentrations d‟oxygène dans le
chenal et notamment la concentration dans le réacteur 4.
6. La concentration en nitrates dans l‟effluent a-t-elle changé ?
7. Réduire le taux de recirculation de 100 :1 à 50 :1 et noter l‟impact sur le profil de concentrations
d‟oxygène et sur la concentration en nitrates de l‟effluent. (même si le paramètres KO2 est toujours
à 0.05 mg/L… une portion importante du chenal est en anoxie, ce qui implique une véritable
dénitrification – qui n‟est pas de la Nit/dénit simultanée).
8. Remettre la circulation à un taux de 100 :1. Augmenter la valeur de KO2 à 0.45 et noter le
changement en termes de concentration de nitrates dans l‟effluent.[La nit/dénit simultanée est liée
à la concentration en oxygène. Noter la concentration dans le réacteur 4 : plus de dénitrification
conduit à une moindre demande en oxygène !].
Tous ces résultats ont été obtenus en régime permanent. Le comportement dynamique ajoute une
complexité supplémentaire. Habituellement, on affecterait une puissance donnée à l‟aérateur (et une valeur
de transfert, par exemple 2.5 lb/hr(rappel 2.21 lb = 1 kg)), ainsi cela laisse à la concentration en oxygène la
possibilité de varier au cours de la journée. [Beaucoup d‟aérateurs ont deux vitesses/puissances (plutôt que
vitesse/puissance variable), ce type de fonctionnement peut être spécifié dans BioWin].
CAS D‟ETUDE: CHENAL D‟EPURAITON AVEC
TRAITEMENT BIOLOGIQUE DES NUTRIMENTS
Un exemple du « classeur » de BioWin sera utilisé. Sélectionner le système Two pass BNR oxidation
ditch.
FIGURE 3. CHENAL D’EPURATION”T WO-PASS BNR” DU CLASSEUR DE BIOWIN.
Cours de 2 jours
115
1. Lancer une simulation en régime permanent à partir des Valeurs d’ensemencement. …inutile
d‟attendre trop long temps avant d‟annuler la simulation !
2. Modifier les paramètres du solveur Hybride de BioWin vers les Paramètres sécuritaires.
Relancer la simulation en régime permanent à partir des Valeurs d’ensemencement. Combien
d‟itérations sont nécessaires pour trouver la solution ?
3. Ouvrir l‟Album et observer le profil de concentrations en oxygène dans le chenal.
4. Est-ce que la concentration en nitrates de l‟effluent semble basse ? Qu‟est-il arrivé aux nitrates ?
Discuter de la nit/dénit simultanée.
5. Observer la valeur du paramètre Coef. de demi sat. O2 pour la dénit aérobie (fonction de
demie saturation – paramètres cinétiques). Remettre ce paramètre à sa valeur par défaut (0.05
mg/L) et réaliser à nouveau une simulation en régime permanent à partir des Valeurs
d’ensemencement.
6. Modifier la consigne en oxygène des aérateurs de 1.5 à 2.0 mg/L. Observer les résultats obtenus.
7. Essayer maintenant de changer la consigne en oxygène en une puissance d‟aération (débit d‟air).
Est-ce que le système arrive à réaliser un traitement biologique du phosphore ?
116
Cours de 2 jours
PRECIPITATION
CHIMIQUE DU
PHOSPHORE
CONSIDERATIONS SUR LE MODELE
La précipitation chimique du phosphore avec du fer ou de l‟aluminium fait partie du modèle. Ces deux
méthodes peuvent être activées en option, mais pas utilisées de manière simultanée.
Puisque la précipitation correspond à des vitesses de réaction plus rapides que les réactions biologiques, les
équations du modèle sont exprimées et développées sous forme d‟équation d‟équilibre. Les métaux ajoutés
forment des complexe hydroxo-phosphate (Fe1.6H2PO4OH3.8 ou Al0.8H2PO4OH1.4), un complexe métalphosphate soluble (FeH2PO42+ or AlHPO4+) et des résidus métalliques qui seront majoritairement des
précipités d‟hydroxyde de métal (Fe(OH)3 or Al(OH)3). Pour un équilibre il faut toujours une faible
concentration en ions métalliques libres et différentes espèces de phosphates (dissociées ou non : PO43-,
HPO42-, H2PO4-, H3PO4). Ces espèces de phosphates avec les complexes solubles métal/phosphate sont
responsables de la concentration en phosphore soluble résiduelle de l‟effluent.
Ces réactions sont prises en compte avec des équations de solubilité et de dissociation adaptées. La
distribution et les concentrations résiduelles de ces composés dépendent du pH et de leur dosage. Lors
d‟une forte surdose de métal, la figure ci-dessous montre la relation entre les concentrations des espèces
solubles résiduelles du phosphore avec le pH.
La réaction principale pour les deux métaux est (en utilisant l‟Aluminium comme exemple) :
1. Formation du précipité (solide) de phosphate d‟aluminium (r=0.8 pour Al, 1.6 pour Fe):
Al  H PO OH 

3 r
2
 3r 1
4
 K sp,AlP
2. Formation d‟un hydroxyde d‟aluminium avec un excès de métal :
Al3  3H2O  Al(OH)3  3H
3. Formation d‟un complexe soluble de phosphate d‟aluminium, contribuant à la concentration
résiduelle en PO4 :
Al HPO   K
AlHPO 
3
2
4

4
Cours de 2 jours
iAlHPO 4
117
residual P vs. pH
0.5
mgP/L
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5.5
6
6.5
7
7.5
8
pH
Fe dose
Al dose
FIGURE 21.1. P RESIDUEL EN FONCTION DU PH DANS LE CAS D’UNE FORTE SURDOSE DE METAL.
CAS D‟ETUDE: AJOUT DE FER
Cet exemple présente l‟ajout de chlorure ferrique à un système de boues activées destiné à l‟élimination du
phosphore. Pour permettre une comparaison simple, deux filières boues activées identiques sont utilisées
et le chlorure ferrique est dosé dans l‟une d‟elle.
118

Débit d‟entrée constant de 24 ML/j dans chaque file [DOC = 500 mg/L; NTK = 40 mgN/L; PT
= 10 mgP/L].

Age de boue = 12 jours.

Ajout de chlorure ferrique sur une file dans la conduite entre le bioréacteur et le clarificateur
secondaire.

La solution chlorure ferrique est donnée à 33% (masse FeCl3 – soit 150,000 mgFe/L).

Il est prévu d‟ajouter une solution 3M de chaux pour maintenir le pH à haut dosage de métal.

L‟alcalinité de l‟effluent est de 6 meq/L (300 mgCaCO3/L)
Cours de 2 jours
FIGURE 2. AJOUT DE CHLORURE FERRIQUE POUR LA PRECIPITATION DU PHOSPHORE.
1. Ouvrir le fichier Ferric Example.bwc.
2. Activer l‟option de modélisation de la précipitation pour le dosage de métaux et sélectionner le fer
ferrique comme sel métallique.
3. Vérifier que les débits de chlorure ferrique et de chaux sont à zéro.
4. Réaliser une simulation en régime permanent et vérifier que les résultats sont les mêmes pour les
deux files (càd que les systèmes sont identiques). Entrer les résultats pour la file B dans le tableau
21.1.
5. Simuler des régimes permanents en incrémentant le débit du chlorure ferrique (1000, 2000, 3000,
4000 L/jour). Entrer les résultats dans le tableau 21.1.
6. Diminuer l‟alcalinité de l‟eau usée de 6 à 4 meq/L (300 à 200 mgCaCO3/L). Réaliser une
simulation en régime permanent et reporter les resultats dans le tableau 21.1.
7. Observer l‟effet de l‟ajout de chaux pour ajuster le pH.
Cours de 2 jours
119
TABLEAU 1. DONNEES POUR L’AJOUT DE CHLORURE FERRIQUE.
Débit de
Chlorure
Ferrique
(L/j)
Alcalinité
Eau usée
(meq/L)
0
6
1000
6
2000
6
3000
6
4000
6
4000
4
120
P-PO4
Effluent
(mg/L
pH du
réacteur
MVS du
réacteur
(mg/L)
MES du
réacteur
(mg/L)
MVS/MES
Cours de 2 jours
TRAITEMENT DES
RETOURS EN TETE
(RETOURS DE DIGESTEUR)
GENERALITES
La digestion anaérobie des boues activées extraites conduit à libération d‟azote sous forme ammoniacale.
Généralement, les boues digérées sont déshydratées et le flux liquide est retourné en tête de la filière boue.
La charge en nutriment de ce rejet est considérable ; elle peut conduire à une augmentation de la charge
entrante en azote de 15 à 25 %.
Différents procédés biologiques de traitement des retours en tête ont été développés pour traiter l‟azote
ammoniacal (InNitri, BABE, SHARON, ANAMOX, CANON, DEMON…). Ces systèmes impliquent
une ou plusieurs des transformations biologiques suivantes :

Une nitritation, éventuellement partielle, réalisée par des bactéries autotrophes oxydant l‟azote
ammoniacal en nitrites (dit « AOBs » : ammonia oxidizing bacteria) ;

Une nitratation réalisée par des bactéries autotrophes oxydant les nitrites en nitrates (dit
« NOBs » : nitrate oxydizing bacteria) ;

Une dénitritation réalisée par des bactéries hétérotrophes qui utilisent les nitrites comme accepteur
d‟électron avec l‟addition de substrat organique (généralement de DCO facilement biodégradable),
ce qui produit de l‟azote gazeux ;

Une dénitratation réalisée par des bactéries hétérotrophes utilisant les nitrates comme accepteur
d‟électron avec l‟addition de substrat organique (généralement de la DCO facilement
biodégradable), ce qui produit des nitrites ;

L‟abattement de l‟azote par des bactéries anammox autotrophes (anammox : ANaerobic
AMMonia OXidation). Ce procédé convertit directement l‟azote ammoniacal en azote gazeux
dans des conditions de non aération, et en utilisant les nitrites comme accepteur d‟électron. La
stœchiométrie de cette réaction biologique mène à des quantités quasi égales d‟azote ammoniacal
et de nitrites consommées.
La terminologie suivante est utilisée pour décrire les différentes combinaisons de transformations
biologiques

Nitrification : nitritation suivie de nitratation (càd conversion de l‟azote ammoniacal en nitrites
puis en nitrates);

Dénitrification : dénitratation suivie de dénitritation (càd conversion des nitrates en nitrites puis en
azote gazeux) ;

Déammonification : nitritation partielle (càd conversion d‟une partie de l‟azote ammoniacal en
nitrites) suivie d‟une réaction anammox (càd conversion de l‟azote ammoniacal et des nitrites en
azote gazeux) ;
Cours de 2 jours
121
Plusieurs intérêts ont été identifiés pour les différents systèmes de traitement des retours en tête ; par
exemple :

L‟ensemencement de la filière boues activées avec des AOBs et des NOBs qui ont fait leur
croissance au niveau du système de traitement des retours en tête, ce qui permet de réduire l‟âge de
boue (bioaugmentation).

Une quantité plus réduite de carbone est nécessaire pour la dénitrification à partir des nitrites qu‟à
partir des nitrates en comparaison de la nitrification d‟un flux « entièrement nitrifié ».

L‟intérêt majeur d‟un procédé ANAMMOX par rapport à un système de dénitrification
conventionnel est qu‟il n‟y a pas d‟ajout de carbone organique pour la dénitrification, et par
conséquence pas d‟augmentation de la production de biosolides ou d‟émission de CO2.
Les systèmes de traitement des retours en tête axés sur l‟abattement de l‟azote ammoniacal ont été conçus
avec plusieurs configurations de réacteurs ; par exemple, un ou plusieurs réacteurs continus mélangés, un
réacteur-clarificateur avec un recyclage des boues, des SBR, des systèmes à biomasse fixée. Les conditions
opérationnelles appliquées pour les retours en tête sont très différentes de celles appliquées pour la filière
principale. Cela implique donc des considérations particulières pour le fonctionnement et le contrôle de ces
systèmes :

Arrêter la nitrification à l‟étape des nitrites et prévenir la formation de nitrate repose sur les
différents taux de croissance entre les bactéries nitritantes et les bactéries nitratantes, ainsi que sur
leur différence de sensibilité à la température.

Les concentrations élevées en substrat et substances produites comme l‟azote ammoniacal et
l‟acide nitreux peuvent conduire à des conditions d‟inhibition. Dans certains cas l‟obtention de
bons résultats dépend de l‟inhibition de certaines réactions.

Un contrôle attentif du pH est souvent requis pour la réussite de l‟opération.

Les organismes anammox ont un taux de croissance très faible qui nécessite un long âge de boue,
une longue mise en route du système.
Le modèle de BioWin a été développé pour permettre la simulation du traitement des retours en tête ; il
inclut donc les éléments suivants :

Des taux de croissance et de mortalité différenciés pour les nitritantes et les nitratantes.

Une dénitrification hétérotrophe utilisant aussi bien les nitrates que les nitrites comme accepteur
d‟électron, en leur affectant des rendements différenciés.

L‟ajout de taux de croissance et de mortalité pour les anammox, avec la prise en considération des
limitations et inhibitions auxquelles elles sont soumises.

La modélisation du pH est essentielle et doit inclure toutes les équations d‟équilibres significatives
avec des composés tels que les acides nitriques et nitreux, l‟azote ammoniacal, et les carbonates.

Les interactions gaz-liquide pour permettre la prédiction du stripping de l‟azote ammoniacal et du
CO2 doivent être prises en considération pour représenter correctement le système de pH et, dans
certains cas, pour représenter correctement les conditions de limitation de croissance.
EXEMPLES INCLUS DANS BIOWIN
Plusieurs exemples de procédés de traitement des retours en tête sont inclus dans BioWin :
122
Cours de 2 jours
* Nitritation – dénitritation
* Pré-dénitritation – nitritation
* Nitritation – déammonification
* Bioaugmentation #1
CAS D‟ETUDE
Un système de traitement des retours en tête est inclus dans une station de traitement de l‟azote tel que
montré sur la Figure 13.1. Le procédé boues activées n‟est pas spécifiquement dimensionné pour le
traitement biologique du phosphore (P), mais l‟objectif est d‟atteindre un certain niveau d‟abattement du
phosphore. Tout recyclage d‟azote (qu‟il soit sous forme ammoniacale, nitrites ou nitrates) à partir des
retours du digesteur aura un impact sur le potentiel d‟abattement du phosphore ; ce qui offre une
motivation supplémentaire à l‟installation d‟un système de traitement des retours en tête.
La configuration du système de traitement des retours en tête consiste en un réacteur pour la nitritation
suivi par un réacteur pour la dénitritation, avec un recyclage des liqueurs concentrées en nitrites vers le
réacteur de dénitritation. Du méthanol est ajouté pour l‟abattement des nitrites, et une solution de chaux
3M peut être ajoutée pour l‟ajustement du pH dans le réacteur de nitritation.
FIGURE 1. STATION DE TRAITEMENT DES NUTRIMENTS AVEC TRAITEMENT DES EFFLUENT DU DIGESTEUR.
Réaliser les étapes suivantes :
1. Ouvrir le ficher “ Full plant with sidestream N removal ” à partir des exemples de BioWin. Le
fichier peut être ensuite sauvegardé dans le répertoire de travail utilisé pour le cours.
2. Etudier la configuration du schéma.
3. Réaliser une simulation en régime permanent.
4. Observer la qualité de l‟effluent (en termes de N et P). Est-ce que le système réalise un traitement
biologique du phosphore ?
Cours de 2 jours
123
5. Observer les concentrations de nitrites et de nitrates dans les deux réacteurs de traitement des
retours en tête, ainsi que le pH.
6. Evaluer l‟impact sur le système de modifications du fonctionnement de ces réacteurs avec : (a) le
recyclage des nitrites ; (b) la quantité d‟ajout de méthanol.
7. Arrêter l‟ajout de chaux dans le réacteur de nitritation. Observer l‟impact sur le pH et sur les
performances.
8. Retirer les réacteurs de traitement des retours en tête du schéma, et retourner directement les
effluents concentrés du digesteur vers la filière boues activées principale. Quel est l’impact ?
124
Cours de 2 jours
ANNEXES
PRESENTATIONS
Introduction à la modélisation – 7p
L‟abattement biologique des nutriments (BNR) – 3p
Le fractionnement des eaux uses – 14p
La séparation de phase (Phase separation) – 20p
La modélisation de l‟aération – 7p
Le Calage (Calibration) – 11p
Les fonctionnalités avancées – 5p
Cours de 2 jours
125
126
Cours de 2 jours
BioWin – Formation de 2 jours
Contexte
 Le traitement des eaux usées urbaines ou industrielles est nécessaire pour
Modélisation et Simulation des
STEP Boues Activées
préserver les milieux récepteurs.
 Les objectifs de dépollution portent principalement sur :
le carbone,
l’azote,
le phosphore
Cours à Bordeaux
Du 25.11.08
Les MES (matières en suspension).
 Les méthodes de traitement sont :
Physiques (dégrillage, dessablage, décantation, séparation)
Biologiques (bactéries : « boues activées)
Physico-chimiques (ajout de coagulants)
Objectif
Objectif
Ville
Eaux usées
Meilleure qualité possible :
- Minimum de nutriments
- Minimum de MES
Ville
Station d’épuration
Rivière
Industrie
Eaux usées
Rivière
Industrie
Boues
Boues
Intro - 1
Objectif
Ville
Eaux usées
Objectif
Minimiser les dépenses de gestion :
(surtout électriques)
-Fonctionnement des pompes
- Aération
- Coagulants
Ville
Rivière
Industrie
Eaux usées
Industrie
Réduire la production des
boues et assurer leur
qualité
Boues
Méthodes
Rivière
Boues
Outils
1 – Modèles Mathématiques
1 – Optimisation du dimensionnement
- Taille des ouvrages (volume des bassins, profondeur du clarificateur)
- Puissance des pompes et des aérateurs
- Boucles de recyclage interne
-…
2 – Optimisation de la gestion
- Programmation du fonctionnement de l’aération
- Fréquence de l’extraction des boues
- Dosage des coagulants
-…
- Biologiques (croissance/mortalité des biomasses/bactéries)
- Physiques (décantation, floculation, séparation… )
- Chimiques (hydrolyse, précipitation, pH…)
2 – Pilotes
- Mini station d’épuration en laboratoire
3 – Simulateurs
- Logiciel intégrant différents modèles mathématiques
- Des solveurs stationnaires et dynamiques
- Et une interface graphique!
Intro - 2
Outils
1–
Demande de l’expérience et de
Modèles Mathématiques
l’expertise.
Fondée sur plusieurs décennies
- Physiques (décantation, floculation, séparation…
)
de recherche internationale.
2 – Pilotes
3 – Simulateurs
Outils
Outils
2 – Pilotes
Très couteux (10 à 100 k€).
Demande de l’expertise.
Expériences longues.
Parfois nécessaire cependant!
3 – Simulateurs
Projet de simulation
Simulations
Construction d’un
modèle de la station
2 – Pilotes
3–
Peu couteux (ex BioWin : 1.5 kUSD/an).
Plusieurs niveaux d’utilisation (expert,
Simulateurs
utilisateurs, élève…).
Mise à jour des avancées scientifiques.
Possibilités infinies de tests.
Consignes de
dimensionnement et/ou
de gestion
Collecte de
données
Analyse des
résultats
Intro - 3
L’interface du simulateur
Les modèles publiés
Panneau de dessin
Synoptique de la STEP
(schéma)
• Traitement de C et N
– IWA n°1 & 3 (ASM1 & ASM3)
• Traitement biologique du phosphore
Information sur un
élément du
schéma
– IWA n°2 & 2d (ASM2 & 2d)
– Ancien Modèle BioWin (Dold & Baker)
• Digestion Anaérobie
– 1, 2 et 4 populations
– IWA ADM1 (7 populations)
Le modèle « BioWin »
Modèle général de boues activées
Modèle de digestion
•
•
•
•
•
•
•
Abattement du carbone
Nitrification
Dénitrification
Abattement biologique du carbone
Fermentation
Production de méthane
Interactions physiques/chimiques
Composition de la biomasse
Hétérotrophes non
déphosphatantes
Hétérotrophes déphosphatantes
Utilisateurs anoxiques du méthanol
Nitrifiantes
Acétogènes propioniques
Méthanogènes acétoclastiques
Méthanogènes
hydrogènotrophiques
Résidu endogène
Intro - 4
Autres éléments de la boue activées
Les processus du modèle
Matière organique
(soluble/particulaire, biodeg/inerte)
Croissance
biologique
Azote (ammoniac, nitrates,
soluble/particulaire, N organique)
Transferts gazliquide
Mortalité
Phosphates
Métaux
Réactions
d’hydrolyse
Précipitation
Cations/Anions
Précipités
Relargage de
stockage du
phosphore
Dioxyde de Carbone
Ammonification
Oxygène
Formulation du modèle
Présentation du modèle
Type Monod
Cinétique
rSs : Vitesse de consommation
du substrat SS
µ : vitesse max de croissance (/d)
Y : rendement biomasse/substrat
Ss : concentration substrat (mgDCO/l)
Ks : constante de demi saturation
(mgDCO/l)
XH : concentration en biomasse (mg
DCO/l)
Stœchiométrique
• 1 unité de substrat utilisée
• Y unités de biomasse
produite
• (1-Y) unités d’O2
consommées
• ixbn unités de N-NH3 utilisées
pour la synthèse
• ixbp unités de P-PO4 utilisées
pour la synthèse
Fermentation
Matrice (de Gujer)
Composés
Processus
Consommation du
substrat
Mortalité
endogène
Substrat
Ss
Biomasse
XH
-1
+Y
1
Résidu
XE
Oxygène
O2
Vitesse
-(1-Y)
+f
-(1-f)
b.XH
Intro - 5
Les fonctions du simulateur
• Modèles « embarqués » dans les unités de
procédé
• Simulations en régime permanent
– Résolution d’équations algébriques non linéaires
– Concentration de chaque composés en tout point
de la STEP
– Bilan de masse
• Simulations dynamiques
Exemple
Une station près de
Toulouse.
10 000 Habitants.
Objectif :
Optimiser l’aération
Moyen :
Réduction du temps
d’aération
De 2 hrs en hiver
De 4 hrs en été
Optimisation d’une STEP
• Dimensionnement
• Gestion
Définition des objectifs de l’étude
Exemple
Etapes
Données de
dimensionnement
Exemple
Etapes
Construction du schéma
Choix du/des modèles mathématiques
ASM, BioWin, Décantation,Chimie…
Consigne de
fonctionnement et eau
usée type
Etape I : Préparation
Données de
dimensionnement
Représentation de la station à étudier ou à
construire
dans le simulateur.
Collectes des données nécessaires.
Consigne de
usée type
Régime stationnaire
Etapes de calage,
Analyses
d’autosurveillance,
Campagne de mesure
Hydraulique
Analyse
résultats
Production de boue
Etapes de calage,
Analyses
Campagne de mesure
Hydraulique
Analyse
résultats
Production de boue
Résultats en sortie
… (dynamique)
… (dynamique)
Simulations de scénarios
(dynamiques/stationnaires)
Application des résultats
Intro - 6
Exemple
Etapes
Données de
dimensionnement
construire
dans le simulateur.
Exemple
Etapes
Données de
dimensionnement
construire
dans le simulateur.
Consigne de
usée type
Etape II : Calage/validation
du modèle
Etapes de calage,
Analyses
Campagne de mesure
Consigne de
usée type
Hydraulique
Modification des paramètres
du modèles
Production de boue
en fonction de la comparaison entrée
données mesurées et simulées.
Analyse
résultats
… (dynamique)
Etape II (bis) : Collecte de données
Analyses
Campagne de mesure
du modèle
Etapes de calage,
Hydraulique
Si besoin…
Campagne de mesure sur site réel ou
en pilote/laboratoire
du modèles
Production de boue
Analyse
résultats
… (dynamique)
Exemple
Etapes
Données de
dimensionnement
construire
dans le simulateur.
Consigne de
usée type
Etape II (bis) : Collecte de données
Analyses
Campagne de mesure
du modèle
Etapes de calage,
Hydraulique
Si besoin…
Campagne de mesure sur site réel ou
en pilote/laboratoire
du modèles
Production de boue
Analyse
résultats
Exemple - Résultats
La concentration
d’azote
ammoniacal
diminue grâce à la
nitrification qui
elle dépend du
temps d’aération
… (dynamique)
Etape III : Simulation
Simulation de scénarios.
Analyse de résultats et application au
consigne
de dimensionnement/ gestion
Graphique de résultat 3D :
-Concentration de l’azote ammoniacal (N-NH3) en 4 points de la station
(entrée, zone d’anoxie, bassin d’aération et sortie). Evolution sur 2 jours.
-La sortie garde un niveau < 1 mgN-NH3/L : Solution validée !
Intro - 7
Formation – BioWin de 2 jours
Objectives
• Remove Carbon – O2 demand
Nutrient removal
Course in Bordeaux
E
n
v
i
r
o
S
i
m
A
S
S
O
C
I
A
T
E
S
L
T
D
.
Pathways
• Nitrification
– Nitritation, nitratation
• Denitrification
– Denitritation, denitratation
• Bio-P
• Chemical P
• Anammox
– BOD, COD, TSS
•
•
•
•
•
Remove N
Remove P
Remove other components
Use minimum energy, chemicals
Produce minimum GHG
Environments
• Aerobic – O2
• Anoxic – No DO, but NO2 and/or NO3
– Anoxalic – mainly NO3
– Anoxilic – mainly NO2
• Anaerobic- no DO or NOX
• Other electron acceptors, Fe3+, SO4, etc.?
BNR - 1
Electron equivalences (COD/N)
Reaction steps
– Two step nitrification
• NH3 – 0.5N2 – NO2 – NO3
• Nitritation by AOBs (NH3 → NO2)
• Nitratation by NOBs (NO2 → NO3)
– Two step denitrification
4.57
• Denitratation by heterotrophs (NO3 → NO2)
• Denitritation by heterotrophs (NO2 → N2)
– Anammox reaction (NH3 + NO2 → N2)
2.86
3.43
1.14
Two step nitrification/denitrification
(simplified)
Autotrophic
Aerobic Environment
1 mol Nitrate
(NO3- )
Nitritation/denitritation (simplified)
Heterotrophic
Anoxic Environment
Autotrophic
Aerobic Environment
1 mol Nitrate
(NO3- )
40%
Carbon
Heterotrophic
Anoxic
Environment
40%
Carbon
25% O2
25% O2
1 mol Nitrite
(NO2- )
1 mol Nitrite
(NO2- )
1 mol
Nitrite
(NO2- )
60%
Carbon
75% O2
75% O2
1 mol Ammonia
(NH3/ NH4 +)
½ mol Nitrogen Gas
(N2 )
1 mol Ammonia
(NH3/ NH4 +)
1 mol
Nitrite
(NO2- )
60%
Carbon
• 25% Reduction in Oxygen
Demand
• 40% Reduction in Carbon (e½ mol Nitrogen
donor) Demand
Gas
(N2 )
• 40% Reduced Biomass
Production
BNR - 2
Anammox reaction (simplified)
Autotrophic
Aerobic Environment
1 mol Nitrate
(NO3- )
Heterotrophic
Anoxic
Environment
Roles of PAO and OHO organisms
40%
Carbon
25% O2
ANAEROBIC
BEHAVIOR
ANOXIC
BEHAVIOR
POLYP ORGANISMS
POLYP ORGANISMS
( a fraction )
PO4
PO4
1 mol
Nitrite
(NO2- )
1 mol
Nitrite
(NO2- )
POLYP
60%
Carbon
75% O2
½ mol Nitrogen
1 mol Ammonia
Gas
• 63% Reduction in Oxygen Demand
(N2 )
(NH3/ NH4 +)
• 100% Reduction in Carbon (e- donor)
Demand
• Much Reduced Biomass Production
BioWin reactions
 Aerobic heterotrophic growth using complex substrate, acetate, propionate and
methanol
 Anoxic heterotrophic growth on nitrate and nitrite using complex substrate, acetate and
propionate
 Anaerobic fermentation of complex substrate, propionate and methanol
 Growth of bio-P microorganisms and storage of polyphosphate
 Various hydrolysis, ammonification and colloid flocculation reactions
 Assimilative nitrate and nitrite reduction
 Anoxic growth of methylotrophs on nitrate and nitrite
 Growth of ammonia and nitrite oxidizer biomasses
 Growth of Anammox microorganisms
 Growth of autotrophic and heterotrophic methanogens
 Decay of all nine (9) active biomasses in different environments
 pH estimation based on the phosphate, carbonate, ammonia, acetate and propionate
systems, including strong acids and bases, plus other relevant reactions
 Precipitation of various calcium, magnesium, aluminium and iron complexes (struvite,
HDP, HAP, etc)
 Gas transfer of O2, CO2, N2, NH3, H2 and CH4 gases
 Inorganic suspended solids fixation during polyphosphate storage and heterotrophic
growth
POLYP ORGANISMS
PO4
POLYP
POLYP
PHB
PHB
NO3
SCFA
Autotrophic
Anaerobic
Environment
AEROBIC
BEHAVIOR
NON-POLYP ORGANISMS
PHB
N2
O2
NON-POLYP ORGANISMS
PARTICULATE
SUBSTRATE
SOLUBLE
SUBSTRATE
CO2
NON-POLYP ORGANISMS
PARTICULATE
SUBSTRATE
SOLUBLE
SUBSTRATE
SCFA
COMPLEX
SOLUBLE
SUBSTRATE
NO3
N2
O2
CO 2
Considerations
• Models are simplifications
• Data is error-prone
• At low concentrations
– Inert fractions become important
– Mass balances are difficult to verify
– Energy demand increases exponentially
BNR - 3
Fractionnement des eaux usées
Cours à Bordeaux
Du 25.11.08
I – Fractionnement de la DCO
II – Fractionnement de l’azote
III – Autres composés des ERU
Les fractions de la DCO et leur mesure
Avant propos
Sommaire
Fractionnement EAU = Fractionnement BOUE
– Composés de la DCO
– Quantification des composés organiques
Données échangées entre deux unités du schéma
Compromis entre :
Réalité,
Besoins du modèle,
Niveau de résultat souhaité.
• Fractions de la DCO
– Parcours des techniques de mesure
– Mesures des composés de la DCO
– Ordres de grandeur typiques
DCO
Qualité de mesure
Bilan O2
Ratio DCO/MVS
Fractionnement des ERU - 1
Matière organique : DCO
Matière organique : DCO
ST
DCOTotale
DCObiomasse
DCObiodégradable
XB
DCOinerte
DCObiodégradable
DCOinerte
SBS
Facilement
biodégradable
Lentement
biodégradable
Inerte soluble
Inerte
Particulaire
SBSC
Complexe
Acides gras à
chaine courte
Colloïde
Xs
Ss
SBSA
XSC
Sup
Si
Xi
XSP
Particulaire
Rôles des fractions
ST
XB
SUS
DCOT
DCObiodégradable
XB
DCOinerte
DCObiodégradable
DCOinerte
DCO Biodégradable
SBS
Xs
Demande
en oxygène
Abattement biologique du
phosphore
SBSC
SBSA
XSC
SUS
XSP
Xi
SBS
SBSC
DCO Soluble non
SBSA
XSC
biodégradable
Xs
SUS
Xi
XSP
Concentration en DCO de
l’effluent
Info sur Ss (par calcul de différ.)
ST
DCO particulaire non
biodégradable
XB
ST
DCObiodégradable
XB
DCOinerte
Concentration en MVS de la
boue
SBS
Xs
SUS
DCObiodégradable
Xi
DCOinerte
DCOXbiomasse
SUS
s
SBS
Xi
Boue activée enrichie
SBSC
SBSA
XSC
XSP
SBSC
Fractions de DCO & Filtration
ASM1
BioWin
SUS
Lentement
biodégradable
XS
(+ XB)
SUS
Solubles inertes
XSC
Colloïdes
XS
fBS
(fAC)
Particulaire
Xi
Sup
fUS
SUS
1-fBS-fUS-fUP
XS
(fXSP)
XB
Xi
DCO rapidement biodégradable
SBS
XSP
XB
Particulaire inerte
XI
SBSC
Autres solubles
biodégradables
DCO Totale
Soluble inerte
SI
Acides gras solubles
DCO Filtrée
SBS
SBSA
XSP
Fractions dans BioWin
Filtration
DCO Floculée, filtrée
Soluble
biodégradable
Ss
Etat physique
SBSA Fermentation
XSC
SBSA
Acides gras volatiles : acétates, propionate, butyrate
SBSC
SBS « complexe » (fermentable) : sucres, acides aminés,
acides non volatiles, lipides
DCO soluble non biodégradable : acides humiques,
phénols, surfactants
DCO lentement biodégradable
XSC
XS colloïdal : polysaccharides, protéines, graisses
XSP
XS particulaire (> 1.2 micron) : résidus de nourriture,
microorganismes
incl Xh
Particulaire
fup
(SUP)
Xi
DCO particulaire non biodégradable : matières humiques,
fibres (ex : papier hygiénique), cheveux, lignine
Note : les fraction entre parenthèses (fac, fxsp) sont relatives à leur variable composée (resp. Sbs et Xs) et non à la DCOtotale
Fractions dans BioWin
SUS = fUS.DCOT
Xi = fUP.DCOT (= SUP)
Les techniques de mesure
Fractions de l’eau usée
Protocole expérimental
Facilement
biodegradable
1. Réacteur boues activées en flux continu avec
une charge en créneaux
2. Méthode « batch »
3. Méthode physico-chimiques
Inerte soluble et
particulaire
1. Réacteur boues activées (site reel ou pilote)
2. Pilote SBR
Biomasse
1. Méthode « batch »
SBS = fBS.DCOT
XSP + XSC = (1 – fBS – fUS – fUP).DCOT
DCOT = SBS + SUS + XSP + XSC + Xi
DCO Soluble inerte
DCO Soluble inerte
SUS = fUS.DCOT
Mesure
Commentaires (& hypothèses):
SUS = DCOeffluent filtrée (× 90%) – or -1.5 mg (eff specifier)
– Ressort par l’effluent
– Pas de DCO soluble biodégradable résiduelle dans
l’effluent (ou considérée = 10%)
– Pas de production de DCO non biodégradable dans le
système
DCO Soluble inerte
DCO Particulaire inerte
Remarques
Xi = fUP.DCOT = (SUP Xi)
• Fraction fUS plus élevée pour les eaux primaires que
pour les eaux brutes
• Varitions journalières
Mesure/estimation
Calage sur les MVS observées par ajustement
itératif de fUP
Soit XMVS : quantité de MVS (en g/m3) produite pdt un âge de boue θx
par une charge Q.DCOT (gDCO/d) dans un volume V (m3)
X VSS

Q CODT  X  (1  f US  f UP )YHET

(1  fb HET  X )  f UP 

f CV V
1  bHET  X


Commentaires:
– Accumulation dans le système
– Sort par (1) extraction, (2) effluent
– Proportion croissante des MVS lorsque l’âge de boue
augmente
Impact de l’âge de boue
12
10
Temps de rétention
hydraulique de 6hrs
DCOT ERU = 500 g/m3
MVS boue (g/L)
• Filtration 0.45µm
8
A=5d
6
A = 10 d
A = 15 d
4
A = 20 d
2
0
0
L’âge de boue du système doit être connu avec précision!
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Fup
Remarques
Remarques (suite)
• L’âge de boue est le paramètre clé
Deux indicateurs
• Souvent mal défini sur sites réels
• Etude pilote suggérée
• Ratio DCO/DBO5 ERU
• La mesure de la respiration permet une bonne vérificaiton du résultat
• Augmentation de fUP
– Ratio élevé => Fup élevé
• Ratio MVS/MES boues
– Ratio élevé => Fup élevé
• Augmentation des MVS
• Diminution de la respiration
• fUP plus faible pour effluents primaires que pour ERU brutes
Exemple de résultat
Valeur observée
MVS (mg/L)
Brutes
Primaires
DCO/cDBO5 ERU
2.0 – 2.5
1.9 – 2.0
MVS/MES boues
0.75
0.83
DCO facilement biodégradable
Retenu : 0.18
SBS = fBS.DCOT
Valeurs obtenues avec différents fUP
Paramètre
Type d’eaux usées
0.10
0.15
0.20
0.25
1784
1478
1613
1748
1883
TUO (mg/L/h)
24.1
28.5
27.2
25.8
24.4
NO3 (mgN/L)
25.2
26.3
25.6
25.0
24.3
SBS = SBSA + SBSC
SBSA = fAC.SBS
SBSC =(1 - fAC).SBS
Avec fAC = fraction d’AGV (VFA) de la DCO facilement biodégradable
Mesures
Mesure par respirométrie
« Bioassay »
Physico-chimique
Alimentation continue/discontinue
Floculation - Filtration
Mélange d’eaux usées et de liqueur mixte (non bioP) avec suivi de
la respiration
45
Batch aérobie (respirométrie)
Batch anoxie ?
TUO : taux d’utilisation d’O2
= OUR : Oxygen Uptake rate
Autres ???
TOU mg/L/h
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
40
50
Temps (min)
60
70
80
TOU mg/L/h
M0= 10 et 11 mgO2/L
Aire = M0 mgO2/L
45
35
30
TOU mg/L/h
TOU mg/L/h
30
Exemples
40
VLM : Volume de liqueur mixte
VERU : Volume d’eaux usées
20
Mesure par respirométrie
Calcul
10
25
20
15
Temps (h)
10
5
0
0
10
20
30
40
50
Temps (min)
60
70
80
Temps (min)
Mesure par filtration floculation
Fraction d’AGV (fAC) de SBS
SBS + SUS + XSC + XSP + Xi
Sources
– Fermentation dans le système de collecte
– Fermentation dans le décanteur primaire
– Fermenteurs de la step
Echantillon brut
Filtration
Fibre de verre (1.2 µm)
SBS + SUS + XSC
Filtrat 1
Floculation
Mesure
– Chromatographie gazeuse
– Chromatographie ionique
Filtration
Membrane (0.45 µm)
SBS + SUS
Mesure par filtration floculation
Estimée par différence
SBS + SUS + XSC
Echantillon brut
P
Filtration
Filtrat 2 : DCOff
XS
Filtrat 1
Floculation
Filtration
DCOT = SBS + SUS + Xi + XSP + XSC
Membrane (0.45 µm)
SBS + SUS
Filtrat 2 : DCOff
SBS  (SBS  SUS ) - SUS
 DCOffEau usée - DCOsEffluent
f BS
S BS

DCOt
Difficultés possibles avec la flocculation:
Importance d’utiliser le flocculant adapté
(sulfate de zinc). La capacité d’apsorbtion de
certains peuvent retenir une partie de la DCO
soluble.
Alternative : ultrafiltration
XSP + XSC = (1- fBS + fUS + fUP )DCOT
DCO biomasse ERU
Fraction particulaire vs colloïdale
Echantillon brut
Filtration
XS = XSP + XSC
SBS + SUS + XSC
Filtrat 1
Floculation
XSP = fXSP.XS
Filtration
Membrane (0.45 µm)
Filtrat 2 : DCOff
SBS + SUS
XSC = DCOS - DCOff
f XSP  1 
DCOT = SBS + SUS + Xi + XSC + XSP + XB
Peut être associé à XSP
Mesure
• Wentzel et al. (1995)
• Aération de l’eau usée (sans ajout de liqueur mixte) et suivi de la respiration
(TUO) pour une période de 10 à 24 h
X SC
XS
Eviter les transferts d’O2 par la surface qui conduisent à des
respirations plus faibles (donc faussées)
DCO biomasse ERU
Mesure de la biomasse dans l’eau usée - TUO
DCO biomasse ERU
Mesure de la DCO biomasse dans l’eau usée
10
9
12
7
10
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
Temps (h)
14
16
18
20
Avec
TUO(0) = 2 mg/L/h
YHET= 0.666 gDCO/gDCO
bHET=0.24 /d
µHET = 3.2 /d
XHET(0) = 18 mgDCO/L
TUO mg02/L/h
TUO mg02/L/h
8
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Temps (h)
Fractionnement de la DCO
Fractionnement de la DCO
Ordres de grandeur courants
Ordres de grandeur courants
Soit une ERU avec une DCO totale de 500 mg/L
Caractéristiques
des eaux usées
Brutes
(mg/L)
Primaires
(mg/L)
Facilement biodégradable
25 - 125
25 – 125
Non-biodégradable soluble
20 - 50
20 – 60
Non-biodégradable particulaire
35 - 110
Lentement biodégradable
Caractéristiques des eaux
usées
Brutes
Primaires
fBS
0.05 – 0.25
0.08 – 0.35
fUS
0.04 – 0.10
0.05 – 0.20
10 – 45
fUP
0.07 – 0.22
0.03 – 0.12
200 - 400
150 – 250
fXSP
0.70 – 0.80
0.50 – 0.65
DCO biomasse
0 – 15
(co-décantation??)
DCO Biomasse
0.00 – 0.03 ?
(co-décant.??)
AGV (VFA) en HAc
5 – 15
?
AGV (VFA) en HAc
5 – 15 mg/L
5 - 15 mg/L
Fractionnement de l’azote
Azote Total
Azote
ammoniacal
Nitrites and
nitrates
Azote
organique
Biodégradable
Soluble
Particulaire
Inerte
Soluble
Biodégradable
NTKT = N-NH3 + NUS + XIN + NOS + XON
Nitrites + Nitrates
N-NH3 = fNA.NTKT
Azote ammoniacal
NTK
Biodégradable
Inerte
NT
Soluble
Particulaire
Soluble
Particulaire
Mesure des fractions de l’azote
Azote ammonical
Analyse directe
XIN = fUPN.SUP = fUPN.fUP.DCOT
Azote organique inerte - soluble
Analyse à partir de l’effluent
NTKeffluent,filtré = N-NH3 + NOS + NUS
N-NH3 = fNA.NTKT
𝑓𝑁𝐴
NUS = fNUS.NTKT
𝑁 − 𝑁𝐻3,𝐸𝑅𝑈
=
𝑁𝑇𝐾𝐸𝑅𝑈
Si la nitrification est complète, généralement :
NTKeffluent,filtré = 0.5 mgN/L
N-NH3 = 0.1 mgN/L
NOS = 0.4 mgN/L
NUS = 0.0 mgN/L
Azote organique inerte - particulaire
Pas de méthode pour distinguer biodégradable et inerte dans le NTK
particulaire de l’eau usée
•Une hypothèse nécessaire pour estimer XIN
La fraction d’azote de la DCO particulaire non biodégradable de l’eau
usée est la même dans la liqueur mixtes
𝑓𝑁𝑈𝑃
𝑓𝑁𝑈𝑃
𝑋𝐼𝑁
=
𝑆𝑈𝑃
𝑁𝑇𝐾𝑀𝐸𝑆 𝑏𝑜𝑢𝑒𝑠
𝑚𝑔𝑁
≈
(≈ 0.007
)
𝐷𝐶𝑂𝑏𝑜𝑢𝑒𝑠
𝑚𝑔𝐷𝐶𝑂
XIN = fUPN.SUP = fUPN.fUP.DCOT
Azote organique biodégradable - Soluble
NOS = NTKfiltré – N-NH3 - NUS
Dans biowin
fNOX = Fraction particulaire de l’azote organique ERU
𝑓𝑁𝑂𝑋
𝑋𝑂𝑁
=
𝑋𝑂𝑁 + 𝑁𝑂𝑆
Azote organique biodégradable - particulaire
×
×
×
NTKT = N-NH3 + NUS + XIN + NOS + XON
NTKfiltré = N-NH3 + NOS + NUS
NTK = NTKfiltré + XIN + XON
XON ≈ NTK - NTKfiltré - 0.07×SUP
Ordres de grandeur fractions N
Azote organique biodégradable - Soluble
Hypothèse
TKN = 40 mgN/L
Caractéristiques ERU
Brutes (mg/L)
Primaires (mg/L)
Azote ammoniacal
20 - 30
20 - 30
Non biodégradable soluble
0-2
0-2
Non biodégradable particulaire
2 - 10
1-5
Biodégradable particulaire
0-5
0-2
Biodégradable Soluble
0-5
0-2
fNA
0.50 – 0.75
0.60 – 0.85
fNUS
0.00 – 0.03
0.00 – 0.05
fUPN
0.07
0.07
Autres composés des ERU
Phosphore
Phosphore
Matières minérales
Ca, Mg, alcalinité
Phosphore – Quantification des fractions
Phosphore Total
Beaucoup de modèles ne considérent que les phosphates (P-PO4)
Biodégradable
Soluble
Dans BioWin :
Phosphore
organique
Orthophosphates
Particulaire
𝑓𝑃𝑂4 =
Inerte
Soluble
𝑃𝑇 = 𝑃 − 𝑃𝑂4 + 𝑋𝐼𝑃 + 𝑋𝑂𝑃
Particulaire
𝑃 − 𝑃𝑂4
𝑃𝑇
𝑋𝐼𝑃 = 𝑓𝑢𝑝𝑝 × 𝑆𝑈𝑃 = 𝑓𝑢𝑝𝑝 × 𝑓𝑈𝑃 𝐷𝐶𝑂𝑇
𝑋𝑂𝑃 = 𝑃𝑇−P-PO4 − 𝑋𝐼𝑃
Phosphore – Quantification des fractions
Matières minérales (inorganiques) en suspension
Besoin d’une évaluation plus rigoureuse ?
 S’accumlent dans la liqueur mixte
 Phosphore soluble non réactif
 Impactent la taille des ouvrages et la gestion des solides
 Modélisation de la fermentation dans les clarificateurs primaires
 Mesure : MMS = MES - MVS
Valeurs Typiques
ERU brute
Primaire
MMS (mg/L)
25 - 45
10 - 25
Outline
1. Introductory
– Phase separation in BioWin – the basics
Phase separation in BioWin
Course in Bordeaux
2. Advanced
– Flux theory
– Dynamic modelling of clarifiers
Settling simplified...
•
•
•
•
Primary and final settlers, SBRs
Thickeners
Sludge dewatering (GBT, centrifuge, etc.)
Filters
– Deep bed (sandfilter), membrane, microscreen
• Grit tanks, cyclones
Phase Separation - 1
Three types of models available
1. Point separator
– Volumeless (V=0)
– Percent solids removal
2. Ideal settler (primary and final)*
– Percent solids removal
– Fixed sludge blanket
3. Model settler (1-D)*
In Version 3.1
• Fast SBRs
• Membrane bioreactors
• Micro-screens (XI removal)
• Cyclones (ISS removal)
– Modified Vesilind
– Double Exponential
– Several settling parameters
* With or without biological reactions
Simple Solids/Liquid Separators
• Percent solids removal
– Primary
≈ 65%
– Final
≈ 99.8 %
– Membrane ≈ 100%
– Thickener
≈ 85 – 95 %
– Centrifuge solids capture ≈ 90%
– Sand filter
≈ 70%
• Calculated on mass flow basis
• Difference provides effluent solids
Flux-based settlers
• Two 1-D models available
– Modified Vesilind (default)
– Double Exponential
•
•
•
•
Hydraulics
Hindered, zone and flocculent settling
Model parameters
Calibration procedures
Flux-based settlers
Flux-based settlers – 1D
• “Predict” effluent solids
– Effluent quality
– SRT
Effluent
• Predict RAS concentration
– SRT (through wastage)
– Biomass distribution
• Predict sludge blanket (solids profile)
– Biomass distribution
Flux-based settlers – 1D
RAS
MLSS
Flux-based settlers
• Mass balance on each layer
Quantify movement of
solids between layers
Divide settler into layers
• Bulk movement
• Gravity settling flux
• Boundary conditions
Vesilind settling function
• Zone settling velocity test (SZSV)
vs =
vs - settling
velocity
– Repeat on a range of MLSS
.
v0.e-phin X
0.6
Level of interface (m)
0.5
[m/h]
Concentration higher in this direction
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
X – solids concentration [g/L]
00
10
20
30
40
50
60
Time (min)
Modified Vesilind model
• Fit 2 parameters (or semi-log plot linearization)
• Settler model includes zone settling velocity
parameters (VO and phin)
• Experimental effort
• To avoid effort these are sometimes linked
to traditional settleability tests (SVI, etc.)
20.0
Vs [m/h]
15.0
vs = 18.2e-0.36*MLSS
10.0
R2 = 0.999
5.0
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
MLSS (mg/L)
SVI
SVI
• 30-minute settled volume
• Divide by MLSS
• SVI = ml/g
• Correlations for zone settling velocity
parameters
VO = f(SVI,DSVI,SSVI3.5)
phin = f(SVI,DSVI,SSVI3.5)
INTERFACE
HEIGHT
Avoid experimental effort,
but…..
30
TIME (min)
SVI
Mass balance constraint
• Limitations
SV30=1000 ml
SVI (ml/g)
– SVI changes with
column height
– SVI changes with
concentration
– Use correlations
for VO and phin
with caution!
QI + QR
X0
XE  0
SV30=250 ml
QR
INITIAL X (g/l)
R
1 R 
XR  
X0
 R 
QR
QI
Underflow concentration, XR for X0 =2500 mg/l
R (%)
Thickening
Factor
1 R
R
Underflow TSS
(mg/l)
Modified Vesilind model
– includes a maximum solids compactibility (XM)
parameter to limit the underflow
concentration
1 R 
XR  
X0
 R 
100
2
5,000
50
3
7,500
25
5
12,500
10
11
27,500
Maximum solids compactibility, XM
Clarification
• Flux theory and zone settling
Clarification
Modified Vesilind approach
Thickening
What about clarification and
effluent solids?
VS
Various empirical approaches
•
•
•
Non-settleable solids fraction
Pflanz model
“Switch off” settling at low solids
concentration
 X 
VS  V0 e  phin X 

K

X
C


X
Clarification
Biological reactions in sludge blanket
• Clarification switch, KC
• Use reactions in settler if:
Switching function to reduce settling velocity
at low solids concentration
 X 
VS  V0 e  Phin X 

 KC  X 
If X large
 X 

 1
 KC  X 
If X small
 X 

0
 KC  X 
– Settler contains significant mass fraction
– In final settlers:
K C  20 - 200 mg/L
1
• Denitrification occurs (nitrate)
• P release occurs (ortho-phosphate)
– In primary settlers:
X
KC  X
0
• Fermentation occurs (VFA)
• TKN hydrolysis occurs (ammonia)
KC
X
Summary
•Start simple with ideal settler
•Use model settler if necessary
– changes in effluent solids, sludge blanket
– changes in mass stored in settler
•Calibrate Vesilind settling model parameters
– Maximum compactibility (XM)
– Zone settling parameters (VO and K)
– Clarification switch (KC)
•Use biological reactions if necessary
•Advanced course – State Point Analysis and the Double
exponential model
Summary
Typical Modified Vesilind default parameters
Parameter
Unit
Normal Bulking
Old
sludge sludge sludge
KC
mg/l
100
20
200
phin
l/g
0.4
0.6
0.25
Vo
m/d
170
130
200
XM
mg/l
15 000
7 000
20 000
Outline
Example
Settler model in BioWin
1. Introductory
Waste sludge
Influent
– Phase separation in BioWin – the basics
Bioreactor
Effluent
2. Advanced
– Flux theory
– Dynamic modelling of clarifiers
State Point Analysis
Solids flux
State Point Diagram
10
Flux
Flux (kg/m2/h)
8
kg
_____
m2.h
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Solids concentration (kg/m3)
Overflow flux kg/m2/h
Underflow line kg/m2/h
Settling flux kg/m2/h
MLSS kg/m3
Flux theory
Measures of sludge settleability
ZSV Zone Settling Velocity
Functions of the secondary settling tank
Interface subsidence rate in m/h
Standard: stirred (SZSV)
– Clarification
– Thickening
– Sludge storage
Measures of sludge settleability
Flux theory
ZSV Zone Settling Velocity
•
•
•
•
•
•
Interface subsidence rate in m/h
Standard: stirred (SZSV)
60
Level of interface (cm)
Linear section
50
40
30
20
Zone settling velocity test
Settling types
Gravity, bulk and total flux curves
Solids handling criteria
10
0
00
10
20
30
40
50
60
Time (min)
Flux theory
Flux theory
Symbols used
– Lag phase
– Linear phase
– Compression phase
(m3/h)
Q
q
X
j
v
A
Flow
Flow rate, Q/A (m/h)
Solids concentration (kg/m3)
Flux (kg/m2/h)
Velocity (m/h)
Area (m2)
60
Linear section
Level of interface (cm)
•
•
•
•
•
•
50
40
30
20
10
0
00
10
20
30
40
50
60
Time (min)
Flux theory
Flux theory
– Repeat on range of MLSS
– Repeat on range of MLSS
too low
too high
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.3
0.2
0.4
0.3
0.2
0.1
0.1
0.0
00
10
20
30
40
50
60
Time (min)
0.0
00
10
20
30
40
50
60
Time (min)
Flux theory
Flux theory
Settling types
– Discrete
– Flocculent
– Read SZSV test slopes
0.6
• Hindered (zone)
• Compression
Clear supernatant - Discrete
MLSS - Zone settling
Transitional
0.5
Concentration – Settling region
0.4
0.3
0.2
0.1
Sludge - Compression
0.0
00
Stages: 1
2
3
4
10
20
30
40
50
60
Time (min)
Flux theory
Flux theory
Vesilind settling function - form
20.0
.
vs - settling
velocity
Vs [m/h]
15.0
vs = 18.2e-0.36*MLSS
10.0
R2 = 0.999
vs = v0.e-phin X
[m/h]
5.0
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
MLSS (mg/L)
6000
7000
8000
9000
10000
Flux theory
Flux theory
Vesilind settling function - parameters
.
vs - settling
velocity
vs = v0.e-phin X
.
vs = v0.e-phin X
vs - settling
velocity
[m/h]
[m/h]
Flux theory
Flux theory
Vesilind settling function - evaluation
20.0
vs =
15.0
Vs [m/h]
vs - settling
velocity
.
v0.e-phin X
vs = 18.2e-0.36*MLSS
10.0
R2 = 0.999
[m/h]
5.0
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
MLSS (mg/L)
Flux theory
Flux theory
Vesilind settling function - evaluation
Gravity flux curve
• JS = vS.X [kg/m2/h]
3.0
Gravity flux
30
25
ln(Vs) =2.82 - 0.36*MLSS
Gravity flux (kg/m2/h)
Ln(Vs)
2.0
R2 = 0.990
1.0
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
20
15
10
9000
5
-1.0
0
0
MLSS (mg/L)
3
6
9
12
15
12
15
Concentration (kg/m3)
Flux theory
Flux theory
Bulk flux curve
Total flux curve
Q
• JB = __R. X [kg/m2/h]
A
• JT = JB+JS [kg/m2/h]
Bulk flux
Total flux
30
30
Total flux (kg/m2/h)
Bulk flux (kg/m2/h)
25
20
15
10
20
Gravity flux
10
5
Bulk flux
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
Flux theory
Flux theory
Total flux curve – limiting flux
Total flux curve – limiting flux
• JL = JT @ XL [kg/m2/h]
• JL = JT @ XL [kg/m2/h]
• Total applied flux cannot be larger
Total flux
30
QI+QR .
2
• Total applied flux: JAP = _______
A X [kg/m /h]
Minimum
flux
20
• JAP also called solids loading rate, SLR
10
Limiting concentration, X L
0
0
3
6
9
12
15
A
• Surface overflow rate, SOR: qI = ___ [m/h]
QI
•
Flux theory
Flux theory
• Underflow QR<QR,crit
• Underflow QR=QR,crit
Total flux
Total flux
30
30
Minimum
flux
20
10
20
10
Lowest limiting concentration, X L,min
0
0
0
3
6
9
12
15
0
3
6
9
12
15
Flux theory
Flux theory
Solids handling criterion
• Underflow QR>QR,crit
• SHC I if underflow QR<QR,crit
Total flux
• JAP must be less than JL
• If JAP=JL, loading is critical
30
Total flux
30
20
40
10
Minimum
flux
20
10
0
0
3
6
9
12
15
0
0
3
6
9
12
15
Flux theory
Flux theory
Solids handling criterion II
State Point Analysis (SPA)
• SHC II if underflow QR>QR,crit
• JI must be less than JS, or:
• QI/A must be less than vS @ MLSS
Simplifications
– based on steady-state conditions
– only one (vertical) dimension is considered
– compression is not considered
– effluent solids is neglected
Total flux
40
30
20
10
0
0
3
6
9
12
15
Flux theory
Flux theory
State Point Analysis - fluxes
State Point Diagram
20
Gravity flux
Up
Flux (kg/m2/h)
15
Down
Overflow line
Underflow line
10
5
Feed concentration
0
0
3
6
9
12
15
Solids concentration (kg/m 3)
Flux theory
Flux theory
State Point Diagram
State point – Operating point of the clarifier, overflow flux at
feed concentration
20
jAP
• XF – Feed concentration (kg/m3)
• XR – Recycle concentration (kg/m3)
• XL – Limiting concentration, (kg/m3)
Flux (kg/m2/h)
15
State Point
jR
10
-qR
XL
jI
5
qI
XF
XR
0
0
3
6
9
12
15
• qI
• qR
– Hydraulic loading or overflow rate, QI/A, (m/h)
– Hydraulic underflow rate, QR/A, (m/h)
• jI
• jR
• jAP
– Overflow rate flux, QI/A*MLSS (kg/m2/h)
– Underflow rate flux, QR/A*MLSS (kg/m2/h)
– Total applied flux, (QI+QR)/A*MLSS (kg/m2/h)
Flux theory
Flux theory
Nine possible conditions
Two criteria:
– SHC I – is the underflow line tangential to the
gravity flux curve?
– SHC II – is the State Point above the gravity flux
curve?
State Point Diagram
20
jAP
Flux (kg/m2/h)
15
State Point
jR
10
-qR
XL
jI
5
qI
XF
XR
0
0
3
6
9
12
15
Further reading
Double exponential model in BioWin
Modifications/additions to flux theory
• Stable blanket: Implement minimum of fluxes
(no maximum compactibility required)
• Effluent solids: Slow down Vesilind settling
velocity at low concentrations (second
exponential)
• Number of layers – important
• “General” settling model
Double exponential model
Max. settling velocity
Settling regions
180
Settling
Velocity
s = oe-rhin*X - oe-rfloc*X
Max s
s = oe-rh*X - oe-rf*X
160
140
Settling Velocity (m/d)
o
120
100
80
60
40
20
I
III
IV
0
0
II
Xmin
1,000
2,000
Concentration
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
8,000
9,000
10,000
Solids Concentration (mg/L)
Vo=150
Vo=200
Vo=250
Hindered settling parameter
Flocculent settling parameter
180
140
120
100
80
60
160
180
160
140
120
100
80
60
40
40
20
20
0
0
0
0
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
7,000
rfloc = 3e-03
9,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
10,000
rfloc = 1e-03
8,000
rfloc = 5e-03
rhind = 1e-04
rhind = 3e-04
rhind = 5e-04
Profiles in flux models
Default dbexp model parameters
Solids profile
0
1
2
3
LAYERS
• Double exponential
Double exponential parameters
Unit
Normal
sludge
Bulking
sludge
Old sludge
Maximum Vesilind settling velocity (Vo)
m/d
410
250
410
Maximum (practical) settling velocity
(Vo')
m/d
270
200
270
Hindered zone settling parameter (Kh)
L/g
0.4
0.6
0.2
Flocculent zone settling parameter (Kf)
L/g
2.5
3.0
1.5
mg/L
20
10
30
-
0.001
0.001
0.002
4
5
6
7
8
9
10
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
CONCENTRATION
Solids profile
0
• Modified Vesilind
1
2
LAYERS
3
4
5
Maximum non-settleable TSS
6
7
8
9
Non-settleable fraction
10
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
CONCENTRATION
Default dbexp model parameters
Double exponential parameters
Maximum Vesilind settling
velocity (Vo)
Maximum (practical) settling
velocity (Vo')
Hindered zone settling parameter
(Kh)
Flocculent zone settling parameter
(Kf)
Maximum non-settleable TSS
Non-settleable fraction
Specified concentration for height
calculation (for sludge blanket
height)
Unit
Final
clarifier
Primary
clarifier
Gravity
thickener
m/d
410
220
410
m/d
270
220
270
l/g
0.4
0.4
0.4
l/g
2.5
1.0
0.55
mg/l
20
20
20
-
0.001
0.99
0.001
mg/l
2500
3000
5000
Examples
•
•
•
•
Ideal or model clarifier
Step-feed example
Primary clarifier modelling
Storm flow
Example - Ideal or model clarifier
Example – Step feed (in cabinet)
Influe nt
T a nk 1
T a nk 2
T a nk 3
Efflue nt
Sludge
Example - Model primary
Influent
Example - Storm flow
Ideal Effluent
Ideal Sludge
Model Effluent
Model Sludge
Plan
– Pourquoi estimer KLa ?
– Recherches associées
– Approches pour l’estimation du KLa
– KLa dans les application de la modélisation
Modélisation de l’aération
Systèmes d’aération par diffuseurs
Cours à Bordeaux
Du 25.11.08
Dold P L and P M Fairlamb (2001). Estimating oxygen transfer KLa, SOTE
and air flow requirements in fine bubble diffused air systems. Proc.
74ndAnnual Conference of the Water Environment Federation, Atlanta
(October).
Dimensionnement des systèmes d’aération
•
•
•
•
Profondeurs et surfaces
Densités des diffuseurs
Débit d’air requis
Débit par diffuseur
•Variation de la demande en oxygène dans le temps
•Variation spatiale de la D.O.
Aération - 1
Simulation du process
Quantification des variations de la demande en O2
Quantification des variations de la demande en O2
– dans le temps
– dans l’espace
Quantification des débits d’air requis dans le temps
– dans le temps
– dans l’espace
Ces quantifications permettent une évaluation :
–
–
–
–
de la densité des diffuseurs
de la profondeur des bassins d’aération
des besoins en débit d’air
de la gestion de la gestion
• Age boue
• Température
• Consigne en 02
– débits d’air par diffuseurs
Aération - 2
Objectif
Objectif
Données de performances des diffuseurs
Modèle de boues activées
•Abatt. du carbone
•Nitrification
•Respiration Endogène
Rdt d’oxygènation standard : ROs
(20°C, 1 atm, %m profondeur)
OUR
Volumes bassins
Débits
Le modèle doit prendre en compte :
•
•
Ajuster KLa
La baisse du ROs avec l’augmentation de Qair
L’impact de la densité des diffuseurs
Besoins AH

AH = Apport horaire (kg/hr)

AH  F  K L a20  T 20    C*  C V
α
Recherche
Quelles sont les variations de KLa avec :
Le débit d’air,
La profondeur du bassin,
Le type de diffuseur,
La densité des diffuseurs?
Aération - 3
Recherche
Recherche
Laboratoire : Mesure de KLa
Test en eau claire avec variation du débit d’air
3
8
1
6
4
0
0
5
10
15
20
-1
2
C : Oxygène (mg/L)
10
y = -0.328x + 2.2056
R² = 0.9956
2
Cs
ln(Cs-C)
C : Oxygène (mg/L)
10
Cs
8
6
4
2
-2
0
0
0
5
10
15
20
25
0
-3
5
Temps (min)
Temps (min)
10
15
20
25
Temps (min)
Recherche
Recherche
Laboratoire : Taille des bulles
3
Répartition selon la taille des bulles
y = -0.328x + 2.2056
R² = 0.9956
16
14
Identification :
KLa = 1/0.328 = 3.05 /min
ln(Cs-C)
1
0
0
5
10
15
-1
20
25
% de bulles
2
12
10
At
8
6
4
2
-2
-3
0
Temps (min)
Diamétres (mm)
Aération - 4
Recherche
Recherche
Facteurs déterminants pour KLa
Facteurs déterminants pour KLa
 L’augmentation du débit d’air
Répartition selon la taille des bulles
16
% de bulles
14
12
QAIR
10
8
6
4
2
 L’augmentation du débit d’air… conséquences :
Taille des bulles
Réparation de la taille des bulles
Rétention de gaz par unité de volume
Surface de transfert pour l’O2
La vélocité des bulles
0
Impact interactif sur KLa
Diamétres (mm)
Recherche
Recherche
Résultats
Test en eau claire sur différents types de diffuseurs
fines bulles
– Profondeur des bassins
– Densité des diffuseurs
– Débit d’air par diffuseur
Avec,
Correspondance avec données réelles?
USG = QAIR/Surface du bioréacteur (m3/m2/d)
Aération - 5
Recherche
Recherche
Mesures de KLa en eau claire/Calcul avec USG
Densité des diffuseurs
 Analyse de tests en eau claire avec diffuseurs fines bulles
(séries de densités)
80
KLa20 /h
C.(Usg)Y
KLa20 (/h)
60
Y : Unique pour un type de diffuseur
40
20
C : varie avec la densité des diffuseurs
0
0
200
400
600
USG (m3/m2/d)
800
1000
1200
Recherche
Recherche
Densité des diffuseurs : DD (%)
Densité des diffuseurs : DD (%)
(séries de densités)
(séries de densités) 80
8
DD = 25% /h
70
KLa20 (/h)
Paramètre C (/d)
60
6
4
y = 2.5385x + 0.0838
R² = 0.9989
2
DD = 4% /h
50
40
30
Confirmation
20
C : varie avec la DD
10
Y : constant pour un type de diffuseur
0
0
0
0.5
1
1.5
(DD%)0.25
2
2.5
3
0
1
2
3
4
5
6
QAIR par diffuseur (m3/h/diffuseur)
7
8
Aération - 6
Calage
Calage
Application du modèle de KLa
Estimation de α
Mesures
10
ROs (%/m - SOTE)
Avec,
MO2 (ou WO2) : flux 02
Dans l’air insufflé (kgO2/h)
Rappel :
ROs = SOTE (standard oxygène transfert efficiency) %
AHs (Apport Horaire en conditions std) = SOTR kg/hr
Analyses Off-gas
Techniques de désoxygènation (H202)
DD = 25%
DD = 4%
9
8
Simulation
7
Utilisation de données dynamiques sur l’aération
6
Note
5
α varie dans l’espace, dans le temps…
4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Débit d'air par diffuseur (m3/h/diffuseur)
Application
Adapter le débit d’air à la demande en O2
 Densité des diffuseurs
 Profondeur du bassin
En résumé…
La modélisation du KLa nécessite une évaluation précise de
 La densité des diffuseurs
 La profondeur du bassin
 Des besoins en débit d’air
 L’impact des conditions de gestion
 Age de boue
 Température
 Consignes en 02
 Vérification des facteurs tels que la « fourchette » de débits d’air par
diffuseur
Aération - 7
Outline
Calibration
Course in Bordeaux
E
n
v
i
r
o
S
i
m
A
S
S
O
C
I
A
T
E
S
L
T
D
.
Typical Project flow
•
•
•
•
•
Definition of Objectives
Data collection, reconciliation
Model setup
Calibration/validation
Project work
Objectives of calibration
Calibration procedures
Common problems
Calibration example (hands-on)
Objectives of Calibration
– Match model to as many signals as
possible, well - NOT to one perfectly
– Know the validity field of the model
– Have an estimation of the expected
accuracy
Calage - 1
Objectives of Calibration
Model Validity Field
CONFIGURE MODEL
• Assumptions inherent in models
– SRT range (~3 to ~30 days)
– Fixed hydraulics (N tanks)
– Ideal mixing
– Simplified chemistry
GATHER DATA
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
CALIBRATE
VERIFY
APPLY
Calibration Procedures
• Calibration Protocols
– WERF (USA, Australia)
– BioMath (Belgium)
– STOWA (Netherlands)
– HSG (Austria, Germany)
Tiered Approach
•
Four major calibration levels using:
1.
2.
3.
4.
Defaults and assumptions only
Historical data only
On-site, full-scale tests
Direct parameter measurements (influent,
kinetics)
Calage - 2
Tiered Approach
Assumptions Only
• 1. No data (greenfield site)
1.
Assumptions only
Very rough “calibration”
2.
Historical data
Crude calibration
3.
Intensive monitoring
Much better
4.
Kinetic & stoich. info.
Best
– Use defaults and experience
– Evaluate relative trends instead of absolute
numbers
– Ranges
Instead of
– Worst case scenarios
safety factors
Historical Data
Historical Data
GATHER DATA
GATHER DATA
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
• 2. Historical data only
– Sampling OK?
– Missing information
– Filter data
– Independent checks
– What can be extracted
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
MEASUREMENTS
•
•
•
•
Sample location
Mixing characteristics
Sample preservation, processing
Repeatability
Calage - 3
Historical Data
Historical Data
GATHER DATA
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
1. Filter data
• Typically missing
– CODs and fractions
– Profiles in process
– OURs
– Diurnal, dynamic variation
– Aeration parameters (alpha)
– Sludge blanket
• Suspect: wastage
Historical Data
1. Filter data
2. Make clean steady-states (winter, summer,
etc.)
Data preparation steps
1. Filter data
2. Make clean steady-states (winter, summer, etc.)
3. Select periods with large dynamics (upsets,
storms, operational changes, etc…), run
dynamically
4. Run whole dataset
Calage - 4
Historical Data
• Establishing data quality
– Use statistics
– Strong checks (law of nature)
Historical Data
• Assessing validity of influent and
wastewater characterization data
– Considerable variation in concentration data
(day-to-day, hour-to-hour)
• Flow balances
• Inert mass balances
• Sustained rates
– Often find consistency in ratios
• COD/BOD5
– Engineering checks (typical behaviour)
• Traditional design guidelines
• Typical ratios
• Typical yields
•
•
•
•
Engineering checks
•
•
(2.0 to 2.2 for raw influent)
(1.9 to 2.1 for prim. effluent)
NH4/TKN
VSS/TSS
Mixed liquor COD/VSS
…… etc.
Data Reconciliation
Statistical technique to maximize information content in
raw data
Principle
1. Use statistical evaluation
2. Apply an independent check wherever possible
b
a
Calage - 5
Data Reconciliation
• Individual measurements
• Straight averages
Data Reconciliation
• Error distribution
a=4
a = 4 ± 2.5
b=8
b = 8 ± 0.5
b
b
a
a
Data Reconciliation
• Independent check (strong)
Data Reconciliation
• Reconciled data
a = 4 ± 2.5
b
a
a = 3.0 ± 2.5
b = 8 ± 0.5
b-a
b = 8.2 ± 0.5
b-a
b
b-a = 5.2
b-a = 5.2
a
Can have its own
error
Calage - 6
Historical Data
Historical Data
GATHER DATA
• Suspect data
HISTORICAL
– Out of bounds – outliers
– Too fast change (sudden breaks) (dynamic mass
balance)
– Absolutely flat data
– Too noisy data
– Persistent trends without apparent cause
(increasing bias)
Additional Monitoring
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
• What can be extracted
–
–
–
–
Inert fraction from airflows and sludge production
Half saturations from effluent levels
Soluble fractions from settler influent/effluent
Seasonally nitrifying plants – guess growth rate
• What cannot be extracted
– Maximum rates – capacity
– Settling parameters
– Any other model parameter
GATHER DATA
GATHER DATA
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
• 3. On-site tests
– Additional composite samples
– Stress tests
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
• Typical guide for plant characterization
– Two-week monitoring
• Wastewater, RAS, WAS flowrates
• 24 hr composites of raw, primary effluent, final
effluent
(COD, BOD, TSS, VSS, TKN, NH3, TP, PO4)
• Process MLSS and MLVSS
– Diurnal grab sampling (two or more)
Calage - 7
• Ultimate wish list
– Proper fractions (COD, N) for all input streams
(filtered, etc.)
– TP (or Mg) in all influent, waste, effluent for
inert check
– Profiles (DO, NH3, NO3-, PO4-)
– MLSS profile in step-feed – flow distribution
– Typical diurnal variation of all variables
– Extensively sampled high-flow events
– Solids profile in settlers
– Data for each process train
Problems
• Common problems
– Knowing sludge inventory
GATHER DATA
HISTORICAL
ON-SITE TESTS
MEASUREMENTS
• Specifically for BNR plants
– COD and TKN fractions
– Nitrification rate (A)
Bench-scale SBR methodologies
Problems
• Knowing solids inventory is fundamental to
simulator calibration
Reflects sludge age
• Mass of sludge in clarifier
– Knowing sludge wastage
• WAS flow measurement ?
• WAS concentration ?
– Sampling
Sources of the problem
• Not knowing sludge mass wastage
• WAS flow measurement ?
• WAS concentration ?
• Influent
• Process
Calage - 8
Problems
• Tracking sludge wastage (contd.)
• Checking WAS
– Underflow TSS vs time
Problems
– Cumulative ISS balance
CUMULATIVE ISS LEAVING
(1000 kg)
500
4000
RAS
TSS
(mg/L)
3000
2000
1000
Actual ISS
Balance
400
300
200
Ideal ISS
Balance
100
0
0
0
0
30
60
90
120
TIME (mins)
• Sampling (1)
Problems
– Influent from unmixed influent channel
100
200
300
400
500
CUMULATIVE ISS ENTERING (1000 kg)
• Sampling (2)
Problems
– Mixed liquor SS (autosampler)
Sampler location ?
Calage - 9
Problems
Problems
•Sampling (3)
– Are the sample lines clean?
• Sampling (2 contd.)
– Mixed liquor SS (diurnal grab samples)
Primary Effluent BOD
CONCENTRATION (mg/L)
250
PE BOD
200
150
100
50
0
01-Jan 01-Feb 01-Mar 01-Apr 01-May 01-Jun 01-Jul 01-Aug 01-Sep 01-Oct 01-Nov 01-Dec 01-Jan
TIME (days)
Problems
Problems
• Process deficiencies
• Process deficiencies (contd.)
– Diurnal NH3 response
– Diurnal NO3 response
NITRATE (mg/L)
Used to estimate nitrifier MAX
AMMONIA (mg/L)
20
15
10
5
0
0
6
12
18
24
TIME (hours)
30
36
42
48
20
15
10
5
0
0
6
12 18 24 30 36 42 48
TIME (Hours)
Calage - 10
Other famous problems
• P in PO4, instead of P
• COD test - Hg not added
• Fully aerobic SBR with DO controller
•Important:
–
–
–
–
–
–
Summary
Representative sampling
Lab analysis
Know plant operating conditions
Plant measurements
Diurnal variations
Understand significance of model parameters
“Simulation is a useful tool ….. but it’s no substitute
for experience and the art of engineering”.
Calage - 11
Fonctionnalités avancées de BioWin
Module de contrôle de BioWin
• Contrôleurs existants dans BioWin
Le module de contrôle
• Consigne en O2
• Répartition de débit (recyclages)
• Extraction/Age de boue
Solveur
Fraction minérale de la biomasse
Les options du modèle
Les paramètres de l’aération
• D’autres contrôles?
• Types de contrôles
• NO3 Effluent > Débit recyclage Liqueurs Mixtes
• NH4+ Réacteur > Q air
• NO3 Réacteur > M/A aération
COM
– M/A : valeur haute, valeur basse
– M/A : valeur cible
– Haut/Bas : valeur cible
–P
– PI
– PID
– Cascade
• Outil de « tuning »
Fonctionnalités Avancées - 1
Le Solveur de BioWin
Le Solveur de BioWin
• Réglages du solveur
• Réglages du solveur
– Hybrid
– Ajustement DLS
• Combinaison Newton+DLS
• 5 à 12 itérations généralement
• Nbreuses boucles
• Réduire le pas initial (ex 5 -> 1)
– DLS (RLD)
– Std/Régime permanent en 2 étapes
• Grands systèmes
• Plusieurs clarificateurs
• Ex : sans puis avec calcul du pH
– Conservative settings (param. Sécuritaires)
• Après 15 à 20 itérations sans diminution
Fraction minérale de la Biomasse
Fraction minérale de la Biomasse
• Eau usée synthétique (->MMS = 0) :
• Schéma Glucose
MESLiqueurs mixtes > MVSLiqueurs mixtes ???
Sels dissous inorganiques biomasse
MESLM –MVSLM = 9.18 mg/L
DCObiomasse = Hetero+Auto+Réisdu endo
= Zbh + Zaob + Znob + Ze
= 149.84 mgDCO/L.
MVSbiomasse = 1.42 x DCObiomasse
= 105.52 mgMVS/L
8%  MVSbiomass e
 9.18 mg / L
1 - 8%
! Ash content = 0% dans les fichier < BioWin 3.0
USE BIOWIN INTEGRATED AS/AD MODEL : modèle par défaut BioWin
APPLY PH LIMITATIONS IN AS KINETIC EQUATIONS : (toujours actif dans les digesteurs)
USE PROJECT MODEL BUILDER : modèle complémentaire à BioWin ou autre modèle
INCLUDE CHEMICAL PRECIPITATION REACTIONS FOR STRUVITE, HDP, HAP : digesteurs
struvite (MgNH4PO4.6H2O)
HAP (hydroxy-apatite – Ca5(PO4)2OH)
HPC (hydroxy- phosphate (di)calcium – Ca2HPO4(OH)2)
Le calcul du pH doit être actif
USE OXYGEN MODELLING : OFF -> Réponse instantanée si changement consigne 02
INCLUDE METAL PRECIPITATION REACTIONS FOR METAL PHOSPHATES AND HYDROXIDES :
Traitement physico-chimique du P. Le calcul du pH doit être actif.
INCLUDE PH CALCULATION : sinon 7.0 (option indépendante pour les digesteurs)
where V0
• Consigne en O2
– Kla « contrôlé »
SETTLING MODEL (Clarificateur et SBR)
Vesiling modifié
Double expo
K L a  C  U SG /jour
Y
• Air supply
C  k1  DD0.25  k2
–
–
–
–
–
k1
k2
Y
DD
USG
– QAIR
= 2.5656 /day (défaut – grosses bulles : 0.05)
= 0.0432 /day (défaut – grosses bulles : 0.38)
= 0.82 (défaut – grosses bulles : 1.05)
= couverture en diffuseurs (%)
= Vélocité surfacique du gaz (m3/m2/jour)
= QAIR / Aire du bioréacteur
= Débit d’air (m3/day)
Calcul de l’apport horaire
AH  F  K L a20  T 20 
  C
*


 C V
Les SBR dans BioWin (ou RBS !)
SURFACE
Permet de calculer
Le nombre de rotors
nécessaires
• Cas d’étude – gestion pour A = 20 jours
• Pdt la phase mélangée (ex 15 min)
• Và extraire/j= Vmoy / A
» Ici : 0.8/20 = 0.04 mgal/j
• Diviser par le nbre de cycles (4)
• Diviser par le temps d’extraction
• Méthode modélisation « pseudo permanent »
• 1) Simuler 1 journée : vérif fonctionnement
• 2) Simuler 3/4 âges de boue : observer pseudo
permanent
• 3) Simuler à nouveau 1 journée : analyse résultats.
» Soit Qextrac = 0.96 mgd
Etape 2 : peut prendre un certains temps !
Les BRM/ MBR
• Pas d’unité BRM dans BioWin -> Pas de
modèle de colmatage!
• -> Voir schémas exercices et classeur

Cours de 2 jours

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