Le comportement hydrodynamique des procédés d'épuration à culture fixée est un facteur déterminant de leur efficacité. Ce comportement peut être étudié par la méthode de la distribution des temps de séjour (DTS) à l'aide d'un traceur, ici le lithium. La méthode est appliquée à 8 lits bactériens en grandeur réelle. Pour interpréter les DTS obtenues, un modèle simulant les échanges de traceur entre le film liquide et le film bactérien est introduit, ce qui permet d'expliquer la traînée importante observée sur les queues de courbe des DTS. Ce modèle fournit par ajustement aux courbes expérimentales un volume mobile et un volume immobile. Le premier est comparé au volume drainé par le lit, et le second pourrait être un indicateur du volume de biomasse dans le lit, paramètre-clé pour l'exploitation. Par ailleurs, il a été possible de déterminer les paramètres cinétiques caractéristiques du biofilm, dans le cas de lits bactériens à garnissage traditionnels. L'hydrodynamique de deux biofiltres de nitrification tertiaire à flux ascendant de plus de 100 m2 de surface horizontale a été explorée. Il s'agit du procédé « Biofor » à Achères et du procédé « Biostyr » à Saint Fons. Les DTS ont été déterminées à plusieurs points de la section horizontale au sein du réacteur, afin d'estimer l'homogénéité de l'écoulement. Des prélèvements ont été réalisés à la base et au sommet du lit filtrant, afin d'isoler l'influence de la zone inférieure du biofiltre, dans laquelle l'effluent est distribué, du lit filtrant seul. Dans ce dernier, les caractéristiques hydrodynamiques comme le volume actif et la dispersion ont été calculées en considérant que l'écoulement est assimilable à un piston avec dispersion axiale. Il a été conclu que les différences importantes de temps de séjour observées en différents points de la surface du biofiltre peuvent en partie être expliquées par la distribution inégale de l'effluent à la base du biofiltre. La méthode a aussi permis de détecter un colmatage temporaire du lit filtrant. Les conséquences possibles sur les performances du procédé ont été estimées à l'aide d'un modèle cinétique du processus de nitrification par le biofilm. Les résultats suggèrent que les conséquences sont limitées à l'occurrence d'une brusque et importante variation de la concentration d'entrée.

L'objectif principal de ce travail de thèse concerne l'étude de l' élimination de la DCO et de la nitrification dans une nouveau lit bactérien Multi-Section ( MSB ) . Après une caractérisation de l’hydrodynamique et du transfert d’oxygène de ce lit bactérien, les expériences biologiques menées sous des conditions opératoires contrastées (fortes et faibles charges organiques eteaux usées contenant ou pas des matières particulairs) ont été menées. En parallèle, des simulations avec le logiciel Biowin® ont été réalisées. Les principaux résultats sont résumés en suivant :- La rétention de liquide statique est majoritaire par rapport à la rétention dynamique que ce soit en présence ou en absence de biofilm. Le biofilm joue le rôle d’une "éponge" permettant un maintien de l’humidité du lit même à faible débit. Les expériences de DTS ont montré que le biofilm accroit le temps de séjour du liquide et conduit à une diminution de l’épaisseur du film liquide permettant ainsi de promouvoir le transfert de l'oxygène.- Le réacteur MSB montre une élimination efficace de la DCO (> 95 % ) et de la nitrification ( > 60 % de l’azote entrant), mais une accumulation de DCO particulaire a lieu dans le filtre ce qui conduira à un colmatage à terme. La nitrification cohabite avecl’élimination de la DCO même dans la première section et pour une charge organique élevée ce qui implique une bonne capacité d’oxygénation du MSB par l’aération naturelle.- Un modèle dynamique de MSB a été utilisé implémenté sur le simulateur - BioWin , afin d'obtenir la répartition des biomasses au sein du réacteur et d'évaluer le processus limitant dans chaque section. Le modèle partiellement calibré peut aider à estimer les besoins minimum d'oxygène pour la nitrification et peut rendre compte de la compétition entre la croissance hétérotrophe et la nitrification. / The main objective of this PhD work focused on the study of the COD removal and nitrification in a new designed Multi-Section Bioreactor (MSB). Hydrodynamic characterization of the reactor, biological experiments under contrasted conditions and simulations by Biowin® software were carried out:- Firstly, it was found that static liquid retention is the predominant part both without and with the presence of biofilm. Biofilm acts like a "sponge". RTD experiments showed that biofilm can promote liquid residence time, decrease the liquid film andpromote the oxygen transfer consequently.- Secondly, the MSB operated at contrasted organic loading rate (OLRs) and nitrogen loading rate (NLRs) showed that COD can be effectively removed (removal efficiency > 95%) and nitrification (> 60% of the N removal) occurred in this biofilter.Nitrification is efficient even in the first section implying no drastic oxygen limitation though only natural aeration is occurring.- Thirdly, a TF dynamic model has been used from a simulator - BioWin, in order to get more insights on the biomass distribution in the pilot and to assess the limiting process in each section of the bioreactor. Calibration of the model can help us to estimate theminimum oxygen requirement for nitrification for each zone inside the pilot and it can well represent the competition between heterotrophic growth and nitrification.