Les systèmes de traitement biologique de l'azote, qui utilisent les processus de nitrification et de dénitrification, sont susceptibles d'émettre un gaz à effet de serre, l'oxyde nitreux (N2O). Le but de notre étude était d'estimer et d'identifier les processus et les facteurs responsables de ces émissions, provenant du traitement de l'azote sur les stations d'épuration de l'agglomération parisienne et d'en estimer l'impact sur les émissions globales de N2O au niveau du bassin de la Seine. Des expériences en laboratoire ont permis la simulation des différents traitements utilisés sur l'agglomération parisienne - boues activées secondaires et cultures fixées en traitement tertiaire - et la mesure, en conditions contrôlées, des émissions de N2O. Nous avons montré que les flux de N2O représentent entre 0.1 à 0.8 % de la charge en azote traitée suivant l'oxygénation et les doses de méthanol ajoutées. Les flux de N2O les plus importants sont observés pour une oxygénation autour de 1 mgO2 L-1 lors de la nitrification; autour de 0.3 mgO2 L-1 et pour un ajout de méthanol en traitement tertiaire, ne permettant que 60 % de la réduction totale des nitrates, lors de la dénitrification. Des essais expérimentaux utilisant différents inhibiteurs spécifiques, ont permis d'identifier les deux processus majeurs responsables de ces émissions: la nitrification-dénitrifiante autotrophe et la dénitrification hétérotrophe. Le traitement de l'azote, sur les stations de l'agglomération parisienne représenterait actuellement des émissions de N2O de l'ordre de 60-120 kgN-N2O j-1 qui augmenteront avec la mise en place des nouveaux traitements de l'azote pour l'horizon 2005-2008 à 320-480 kgN j-1, et pour l'horizon 2012-2015 à 370-750 kgN j-1. Les niveaux les plus bas de ces émissions pourront être atteints si le traitement de l'azote se fait en nitrification avec une oxygénation supérieure à 2 mgO2 L-1 et en dénitrification avec des conditions d'anoxie totales et un ajout de méthanol permettant 100 % de la réduction de la charge en nitrate. Nos résultats montrent également que les émissions de N2O, se produisant actuellement dans la basse Seine recevant les rejets azotés de l'agglomération parisienne augmenteront notablement en étant transférées vers les STEPs. Cependant, les émissions de N2O en STEPs ne représenteraient que 1 à 10 % des émissions provenant des sols agricoles.

Les lits de séchage de boues plantés de roseaux (LSPR) existent en France depuis le début des années 1990. Ceux-ci ont principalement été développés pour le traitement de boues issues de station boues activées en aération prolongée. Cependant, ce procédé est trop souvent associé à des problèmes de dysfonctionnements liés à des dimensionnements et des gestions mal maîtrisés. En effet, les installations souvent composées de 4 lits souffrent de performances insuffisantes avec une siccité qui avoisine seulement 15 % contre 30, voire 35 % au Danemark où la technique est largement répandue. Une meilleure connaissance des divers mécanismes en jeux contribuerait sans conteste à accroître les potentialités de cette filière. En outre, avec la mise en place croissante de SPANC, l'augmentation future du flux de matières de vidange à traiter nous a également amené à transposer ce procédé vers ce type de produit. Pour cela le suivi de 16 pilotes de 2 m² en phase de démarrage et d'une installation de taille réelle de type « boues activées en aération prolongée » (13 000 EH, 8 lits de 470m² en fonctionnement depuis 4 ans) a permis d'étudier l'influence de différentes qualités de boues (boues activées épaissies ou non, matières de vidange), de la charge organique, et de la fréquence d'alimentation sur les performances de déshydratation et de minéralisation. Après un an et demi de phase de démarrage, ce travail de thèse se focalise sur le fonctionnement au nominale du système. Les expérimentations menées sur les pilotes ont permis d'identifier les limites du système, et ainsi émettre des préconisations de dimensionnement et de gestion pour chacun des deux types de boue étudiés. Parallèlement, des expériences menées en laboratoire ont permis de d'étudier plus finement les phénomènes en cause. Notamment en répondant aux questions relatives à l'influence de la qualité de la boue. De plus, une étude mécaniste a également été menée pour identifier l'influence du drainage et de l'évapotranspiration des roseaux sur la déshydratation des boues. Enfin, les processus impliqués dans la stabilisation des boues ont également été étudiés. / Sludge drying reed beds exist in France since the early 1990s and have been mainly developed for activated sludge treatment. Nevertheless, these systems often operate badly due to unadapted design and management strategy. The usual design for these facilities consists of 4 beds each being alternately fed during a week. Performances are low with a dryness around only 15% against 30 or 35% in Denmark where this technology is widespread. A better knowledge of the mechanisms will indisputably increase the potentiality of this process. Besides, taking into account the obligation of regulatory control of on-site wastewater treatment, communities are now facing larger volumes of septage. Therefore, one of the main idea of this study is to also use drying reed beds for septage treatment. Thus, 16 pilots of 2m² each and a full–scale plant (13 000 p.e., 8 beds of 470m² in operation for 4 years) have been monitored to study the influence of the sludge quality (activated sludge thickened or not, septage and a mixture of both), the sludge loading rate, and the load frequency on the dewatering and mineralization efficiencies. After one and a half year of commissioning period, this thesis focuses on the nominal operating conditions. Experiments carried out on pilots allow the limits of the system to be identifying. Hence, design and management recommendations for both types of sludge studied can be established. Meanwhile, laboratory experiments have aimed at evaluating more precisely the phenomena involved in the system. We first consider the influence of the sludge quality on its treatment ability on sludge drying reed beds. In addition, a mechanistic study was also conducted to identify the influence of drainage and reeds evapotranspiration on the sludge dewatering. Finally, the processes involved in the sludge stabilization were also investigated.

La présence de micropolluants à l'entrée des opérations d'épuration d'effluents industriels induit des problèmes au cours du traitement par des procédés biologiques, certaines molécules n'étant pas nécessairement disponibles à la biodégradation. Parmi les molécules présentes dans les rejets d'origine pétrochimique ou chimique, les substances prioritaires les moins volatiles sont aussi les plus hydrophobes (ex : Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) et ont tendance à s'adsorber majoritairement sur les matières organiques et les boues. A l'inverse, les molécules moins hydrophobes mais très volatiles comme les Benzène, Toluène, Ethylbenzène et p-Xylène ont une forte propension à être transférées dans l'atmosphère lors des phases d'aération. Le bioréacteur hybride étudié ici, reposant sur l'addition de supports adsorbants dans des procédés à boues activées, présente de nombreux avantages. D'une part l'addition de charbon actif en grain dans des procédés à boues activées permet de fixer les polluants ciblés, minimiser leur volatilisation et augmenter leur temps de séjour dans le procédé D'autre part, la réduction de leur concentration à un niveau non inhibiteur permet l'absorption des variations de charges qui sont fréquentes dans les effluents industriels. Enfin les supports ajoutés, sur lesquels se développent des biofilms, constituent des niches écologiques nouvelles pour les micro-organismes les plus lents à se développer. Ces derniers peuvent dégrader les molécules adsorbées dans les zones biorégénérables du charbon actif. Afin de caractériser les mécanismes physicochimiques et biologiques, des expériences en batch des phénomènes découplés et couplés ont été réalisées : cinétiques et isothermes d'adsorption et de biosorption, cinétiques de volatilisation et respirométrie. Egalement, deux pilotes à l'échelle laboratoire ont permis de suivre les performances épuratoires d'un bioréacteur séquencé conventionnel et d'un bioréacteur hybride à support adsorbant. Un modèle d'adsorption sur support hétérogène, développé sous Matlab® et un modèle intégrant le couplage des phénomènes en dynamique, développé sous Aquasim® ont été combinés. Le modèle global développé permet de simuler de façon dynamique le devenir des micropolluants (les outils précédents ne fonctionnant qu'en régime permanent). Les simulations réalisées concordent avec les résultats expérimentaux et permettent de conclure que les mécanismes d'élimination abiotiques jouent un rôle très important dans les « performances épuratoires » du procédé de traitement biologique aérobie conventionnel. Les transferts de BTEX de la phase liquide vers le compartiment gazeux sont significatifs (>99% en 2 heures) et les quantités d'HAPs détectées dans la fraction solide sont importantes (élimination moyenne >65% lors de la décantation primaire). Pour les Composés Organiques Volatiles (ex : BTEX), l'ajout de particules adsorbantes et l'analyse des modes opérationnels minimisant le transfert dans la phase gaz sont les points prépondérants. Des simulations prospectives mettant en jeu les phénomènes conjoints de biodégradation et d'adsorption du toluène et du naphthalène ont permis de montrer que le réseau méso-macroporeux est régénérable, que l'adsorption a lieu majoritairement dans ce compartiment et que le taux de biorégénération dépend de la quantité de biomasse maintenue. L'efficacité des bioréacteurs à supports adsorbants (Charbon Actif en Grain) a été démontré pour ces molécules, à conditions de gérer une période de biorégénération qui devra être optimisée à partir du modèle développé.

Les règlements plus stricts pour les rejets d'eaux usées présentent de nouveaux défis technologiques pour le traitement d'eaux usées urbaines et industrielles. Le besoin notamment d‘améliorer la qualité hygiénique de l'eau traitée se fait ressentir en cas de sites sensibles ou de réutilisation. Le bioréacteur à membranes (BRMs) représente une des approches les plus innovatrices pour éviter la présence d'agents pathogènes dans l‘eau en sortie de station. En utilisant des membranes avec un seuil de coupure dans la gamme 0.04~0.2 μm, les bactéries mais aussi les virus sont pratiquement complètement retenus. Si l'encrassement membranaire reste un problème déterminant pour le développement des BRMs, le manque d‘outils de caractérisation en ligne de la qualité et la quantité de biomasse active dans les réacteurs reste un point important pour favoriser le contrôle et l‘optimisation des BRMs. Dans cette étude une méthode originale a été développée pour évaluer la viabilité des boues activées présentes dans un réacteur biologique d‘épuration en complémentarité des informations données par la mesure d'activité respirométrique. Cette méthode permet la distinction entre cellule morte et vivante, la respirométrie pouvant alors distinguée la part active de la biomasse vivante. Le travail expérimental a été conduit dans deux réacteurs biologiques de type chenal d‘oxydation équipés de membranes immergées "airlift oxidation ditch membrane bioreactor" (AOXMBR). Les modules membranaires sont immergés dans un zone aérée où l‘apport d‘air permet à la fois la circulation d‘eau par air-lift, l‘aération du milieu et le nettoyage des membranes par aération. Les essais ont été conduits en mode fermé (batch reactor), alterné (fed batch reactor) et continu. La première partie de l‘étude concerne la caractérisation hydrodynamique du réacteur déterminante en terme de conformité du système pour la circulation des fluides, l‘intensité des transferts et des réactions d‘épuration. Les résultats mettent en avant le rôle de la géométrie de l‘airlift sur la circulation des fluides mais aussi la rétention gazeuse déterminante en terme de transfert d‘oxygène et capacité de nettoyage des membranes. La viabilité et l'activité respirométrique de boues activée ont alors été étudiées sous différentes conditions opératoires. Les résultats ont montré une évolution semblable des deux paramètres en fonction des conditions imposées. Ceci confirme l‘intérêt de la mesure de viabilité qui peut être conduite en ligne sur le système, à la différence de la mesure par respirométrie qui nécessite une procédure spécifique plus ou moins complexe. Toutefois, les essais ont montré aussi qu‘une concentration en biomasse importante était nécessaire dans le bioréacteur pour que la viabilité soit mesurable. Les résultats ont aussi montré que la viabilité et l'activité augmentent avec la charge organique (Cv). Cette variation était conforme à l'augmentation des matières volatiles en suspension MVS et de la vitesse de consommation d‘oxygène OUR. Lors de diminution de charge organique, la concentration de protéine dans le milieu a changé inversement avec la viabilité de la biomasse. De possibles améliorations de l'instrument de mesure en ligne de la viabilité et de l'activité de boues activées dans les bioréacteurs sont également discutées. Les performances épuratives mesurées ont confirmé la grande capacité épuratoire d‘un BRM, toutefois, travailler à très forte charge engendre une dynamique de colmatage intense qu‘il faut maîtriser. / In this study a novel method was developed to assess the viability of activated sludge present in a biological treatment process and signify its complementarity from respirometric activity. This method allows the distinction between viable vs. dead and inactive vs. active microbial cells in biomass population and can be used for a better and more efficient control of the biological activity especially in MBR systems.For this purposed two airlift oxidation ditch membrane bioreactors (AOXMBR), were designed and constructed. They were equipped with flat sheet, membranes directly immersed in the airlift section where the air injection induced sludge aeration, water circulation and continuous membrane cleaning.To evaluate the relevance of the batch, fed-batch and AOXMBR) were carried out in order to obtain a better understanding of biomass characteristic for MBR performance.Firstly, for determining the treatment capacity of the proposed AOXMBR is important to understanding of the hydrodynamic characteristics of the system. And impact of design parameter on hydrodynamic characterization of the system was investigated. The results showed the gas holdup and liquid velocity increased with increase in superficial gas velocity and decrease in distance from aeration zone. Furthermore, gas holdup and liquid velocity in downcomer section did not show any significant variations with change in the top to bottom clearance ratio. The riser gas holdup data was related to the superficial gas velocity and the top to bottom clearance ratio data. Also, the downcomer gas holdup was related to superficial gas velocity and distance from airlift section.Secondly, viability and respirometric activity of activated sludge under different activated sludge conditions (batch, fed-batch) at high cell density as the model of membrane bioreactors were investigated. The results showed the same downward trend for both these parameters (viability and respirometric activity) which was due to quantitative and qualitative changes in the microbial culture in the activated sludge. Based on different fed of substrate for each experimental run (batch, fed-batch), operational variables showed significant influence in viability and activity of activated sludge. Also, the effect of changing physicochemical condition.on viability and respirometric activity was investigated. The results showed that respirometric activity was affected more strongly by temperature than viability.Thirdly, biological performance of AOXMBR was carried out.Finally, base on data obtained in the last experiment, in this part the capacitance sensor used as the on-line monitoring of viability of activated sludge in AOXMBR. Results showed that viability and activity were increased with organic loading rate (OLR) increasing until 5 kg COD m-3 d-1. This variation was in accordance with increasing of MLSS, MLVSS and OUR. The results also showed that the viability of biomass decreased when reducing the organic loading rate from 5 to 4 kg COD m-3 d-1. Also, protein concentration in system changed inversely with activated sludge viability.The possible reasons are discussed for future improvements online instrument for measuring viability and activity of activated sludge in biological wastewater. Summary of the principal results and novelty of this thesis obtained in this study: The porposed system would reward improved efficiency across the oxidation ditch, airlift and membrane bioreactor. The AXOMBR is a suitable system for operating at high organic laoding rate. However, the suddenly reduction of OLR affects on viability of activated sludge. The specific characterization of the system is capable of working at three different zone: aerobic, anoxic and anaerobic zone. Also, the time of operating at each zone can be changed with superficial gas velocity top to bottom clearance.