Les modèles de boues activées ASM 1, 2 et 3 de l’International Water Association (IWA) sont acceptés comme la norme dans l’industrie du traitement des eaux usées. Toutefois, plusieurs auteurs ont remarqué que les constantes cinétiques de ces modèles dépendent du type de substrat, de la configuration du procédé et de l’âge des boues. Dans ces modèles, la répartition des flux de substrat entre la croissance et le stockage est une fonction empirique.Certains auteurs ont indiqué que les constantes cinétiques des modèles de boues activées peuvent être influencés par la régulation de la production d’enzymes. Ainsi, un ingénieur cherchant à modifier un système spécifique ne peut prédire la réponse du système réel une fois les modifications apportées, ni choisir la bonne configuration ou les bonnes modifications avec le même ensemble de constantes cinétiques. Il y a 60 ans, Monod (1949) a proposé d’appliquer l’équation de Michaelis-Menten décrivant la cinétique enzymatique à une culture de microorganismes. Afin de simplifier la relation mathématique proposée, Monod (1949) réduit la cellule entière en un seul enzyme génétiquement exprimé à une seule intensité. Toutefois, le métabolisme de la cellule est basé sur un grand nombre de réactions biochimiques. Le chapitre 2 de ce travail revoit la littérature afin d’identifier les facteurs contrôlant le métabolisme de la cellule et la régulation de l’activité spécifique de la cellule. La revue de la littérature a été rédigée de façon à souligner les mécanismes de régulation qui induisent une variation du taux de croissance afin de les exprimer mathématiquement (dµ/dt). L’étude de ces mécanismes vise à modéliser la variation de l’activité spécifique. La revue est limitée aux organismes procaryotes hétérotrophes sous des conditions aérobies. Dans la littérature, des modèles cybernétiques ont été proposés pour modéliser la croissance cellulaire et portent, entre autres, sur la régulation de la production d’enzymes, c’est-à-dire sur l’induction. L’objectif de ce travail est donc de présenter un modèle de boues activées qui imite l’induction enzymatique de la biomasse active dans le cadre des modèles de boues activées. Dans le modèle proposé au chapitre 3, les taux de réaction peuvent s’ajuster aux conditions environnementales et à l’historique cellulaire. Dans un premier temps, le modèle théorique a été calé sur les données trouvées dans la littérature. Les données colligées lors d’expériences transitoires à court et à long terme ont toutes été modélisées avec le même ensemble de constantes cinétiques, ce qui n’était pas possible avec les autres modèles. Le modèle proposé offre ainsi un regard plus réaliste de l’activité spécifique de la biomasse active sous des conditions d’opération du procédé hautement variables. Dans un deuxième temps, un protocole expérimental est proposé pour évaluer l’état métabolique des microorganismes présents dans la boue activée, et évaluer la performance du modèle proposé. Le protocole a été conçu pour caractériser l’évolution de plusieurs composants intracellulaires au cours de comportements transitoires de la biomasse. Au chapitre 5, le modèle théorique proposé au chapitre 3 a été adapté au protocole expérimental et calé sur les données expérimentales obtenues. Au cours des expériences effectuées, une réduction temporaire de l’activité métabolique a été observée après que la capacité de stockage ait été comblée. Selon les simulations effectuées, et la concordance des résultats obtenus avec une revue de littérature approfondie, il semble que la régulation croisée du carbone et de l’azote puisse être utilisée pour modéliser certains comportements transitoires et la régulation des flux métaboliques vers la croissance et le stockage. Au chapitre 6, les modèles à strucuture ARN-r sont proposés afin de donner une description de l’état métabolique des microorganismes à l’aide de nouvelles techniques moléculaires et prédire l’accélération de la croissance (dµ/dt) de la boue activée. Dans ces modèles, la synthèse du système de synthèse des protéines (PSS) est décrite par un mécanisme autocatalytique. La cinétique du processus autocatalytique présente un fondement métabolique de l’accélération de la croissance et de la phase de latence. Les modèles ARN-r sont en mesure de décrire adéquatement l’accélération de la croissance pour différentes configurations de réacteurs. Ainsi, ce type de modèles fait appel à des constantes cinétiques à caractère «intrinsèque» et peut être utilisé de façon moins restrictive que les modèles à caractère plus empirique. Ceci constitue un avantage pour le développement de modèles de conception plus fiables. / For wastewater treatment, the activated sludge models (ASMs) 1, 2, and 3 of the International Water Association (IWA) are accepted as industrial standard. However, many authors have observed that the kinetic parameters of these models depend on the type of substrate, process configuration, and sludge age. Some publications showed that the kinetic parameters of ASMs could be influenced by regulation of enzyme production. In the models currently used to describe the activated sludge process, the distribution of the substrate flux between growth and storage is an empirical function. Therefore, an engineer aiming to make some modifications to a specific treatment system is not able to predict the response of the real system after the modifications and choose the right configuration or modifications with the same set of parameters. Sixty years ago, Monod (1949) proposed the application of the Michaelis Menten relation describing enzyme kinetics to a culture of micro-organisms. For the purpose of simplification, the mathematical relation proposed by Monod (1949) reduced the entire cell to a single enzyme genetically expressed at a single level. However, cell metabolism is based on a large number of biochemical reactions. Chapter 2 of this thesis reviews the literature to identify the controlling factors of cell metabolism and the regulation of the specific activity of the cell. The literature review was designed to highlight which regulation mechanisms induce a growth rate variation so that they can be expressed mathematically (dµ/dt). The study of these processes will focus on modeling the specific activity variation. The review is limited to heterotrophic prokaryote organisms growing under aerobic conditions. Cybernetic models are proposed for modeling cell growth and focus, among other things, on regulation of enzyme production, that is to say on induction. The objective of this work is to present an activated sludge model that mimics the enzymatic induction of active biomass within the framework of ASMs. In the proposed model presented in chapter 3, process rates are modulated according to the environmental conditions and cell history. In a first step, the model was fitted on the basis of data found in the literature. All data collected from short and long transient experiments were fitted with the same set of parameters, which was not possible with various models. The proposed model gave a more realistic picture of active biomass and of its specific activity under highly varying process conditions. In a second step, an experimental protocol is presented to perform the evaluation of the structured biomass model. The protocol was designed to induce transient behaviour and characterize the evolution of several internal biomass components. In chapter 5, the theoretical model proposed in chapter 3 is adapted to an experimental protocol and fitted to the collected data. In these experiments it was observed that filling the storage capacity of cells leads to special transient behaviour and a temporarily reduced metabolic activity. The model-based interpretation of the results showed that the observed transient behaviour can be explained by cross-regulation of carbon and nitrogen metabolism. Hence, according to an extensive literature review, the cross-regulation of carbon and nitrogen can be used to model some observed transient behavior and regulation of the storage process in activated sludge. In chapter 6, rRNA-structured biomass models are proposed to describe the metabolic status of cells using new molecular techniques in view of predicting the growth response (dµ/dt) of cells in the activated sludge process. The autocatalytic reaction rate of the synthesis of the PSS component (rRNA) can provide a mechanistic explanation for the growth response and the growth lag phase. The proposed models were able to properly describe and predict the growth response of the biomass in various types of reactor. Such models could be more widely applicable by using intrinsic model parameters, and this could be a key improvement as it could lead to improved models for design.

L’ajout de sels métalliques dans les stations d’épuration à boues activées faible charge est proposé pour le contrôle d’un développement excessif de bactéries filamenteuses, notamment lorsqu’il s’agit de Microthrix parvicella.L’objectif de ce travail a été d’évaluer l’efficacité de ce type de traitement lors d’épisodes de foisonnement des boues. Il s’agissait d’étudier l’impact de l’ajout d’aluminium sur les conditions de décantation, sur les performances de traitement et sur les micro-organismes des boues activées, notamment la spécificité du traitement vis-à-vis de Microthrix parvicella.D’après l’enquête réalisée sur un échantillon de 370 stations d’épuration à boues activées faible charge, les problèmes de décantation demeurent une problématique majeure pour 30 % des installations de taille inférieure à 250 000 EH, et pour 50 % de celles traitant plus de 250 000 EH. Au moins un dysfonctionnement sur trois serait dû à un développement excessif de bactéries filamenteuses. Un taux de charge organique élevé a été identifié comme l’un des facteurs favorisant les dysfonctionnements. L’ajout de sels métalliques pour éliminer le phosphore des eaux usées contribue quant à lui à diminuer l’occurrence des dysfonctionnements, sachant que des sels de fer sont majoritairement utilisés.Les mesures réalisées sur le pilote semi-industriel (1 500 EH) durant deux périodes de 6 mois ont confirmé l’efficacité des sels d’aluminium pour contrôler la capacité de décantation des boues activées, limiter les pertes de boues et la formation de flottants, pouvant entrainer une altération des rendements épuratoires. La confrontation de résultats issus de différents outils du génie des procédés (étude des performances épuratoires de l’installation, modélisation du fonctionnement du pilote), de la microbiologie et de la biologie moléculaire (microscopie, qPCR, DGGE, inventaire moléculaire) a permis de mieux comprendre les phénomènes observés. L’ajout de sels métalliques contribue à rendre Microthrix parvicella moins compétitif que les autres bactéries pour des concentrations supérieures à 0,7 mmol (g MVS)-1 dans les liqueurs mixtes. Cette limitation de croissance s’ajoute à la formation d’agrégats biologiques denses, plus aptes à décanter, à l’internalisation des bactéries filamenteuses et leur disparition du liquide interstitiel. Lorsque la concentration obtenue dans la liqueur mixte est inférieure à 0,7 mmol (g MVS)-1, la formation de mousses est limitée et l’indice de boues est stabilisé, grâce à des phénomènes de coagulation qui n’impactent pas significativement la morphologie des agrégats ni l’abondance de M. parvicella.D’après ces éléments, les mécanismes impliqués dans l’amélioration des conditions de décantation s’apparentent à des mécanismes non spécifiques de coagulation-floculation.La modélisation des phénomènes observés, en incluant notamment une biomasse supplémentaire représentant Microthrix parvicella dans les modèles biocinétiques disponibles, permettrait sans doute de mieux comprendre les phénomènes de compétition entre les bactéries filamenteuses et les bactéries du floc. / Addition of metallic salts has been proposed to control the proliferation of Microthrix parvicella in low-loaded wastewater treatment plants (WWTP).The work presented in this document aimed at evaluating the efficiency of such treatment in the control of bulking events. The impact of aluminium addition on the activated sludge settling properties, on the process performance and on the microorganisms presents in the activated sludge, particularly it’s specificity for M. parvicella, was assessed.According to the survey performed on a sample of 370 low-loaded activated sludge WWTPs, settling problems remain a key issue for 30 % of WWTPs treating less than 250 000 p.e., and for 50 % of those treating more than 250 000 p.e.. In at least one case out of three, settling problems were induced by excessive development of filamentous bacteria. A high organic load was identified to be one of the factors favouring those dysfunctions. Metallic salts added to remove phosphorous from wastewater was also shown to reduce the occurrence of observed settling problems, given that iron salts are mostly utilised.Measurements performed on the semi-industrial pilot plant (1 500 p.e.) confirmed the efficiency of aluminium salt addition in controlling the settling properties, reducing sludge loss and foaming formation which could degrade the WWTP removal efficiency. The confrontation of the results obtained via process engineering tools (study of the pilot plant removal efficiencies, plant modelling), microbiology and molecular microbiology (microscopy, quantitative PCR, DGGE, molecular inventory) allowed a better understanding of the observed phenomena. The aluminium salt addition contributes to make M. parvicella less competitive than the other bacteria when the aluminium concentration is above 0.7 mmol (g MLVSS)-1 in mixed liquor. This growth limitation is concomitant to the formation of more compact aggregates, with better settling properties, the embedment of filamentous bacteria into the flocs and therefore their disappearance from the interstitial liquid. When the aluminium concentration in the mixed liquor is below 0.7 mmol (g MLVSS)-1, the foam formation is limited and the sludge volume index is stabilised thanks to coagulation phenomena which does not impact significantly the aggregates morphologies and M. parvicella’s relative abundance.Based upon these results, the mechanisms involved in the improvement of the settling conditions are similar to non-specific mechanisms of coagulation-flocculation.Modelling the observed behaviour, adding a biomass representing M. parvicella in available biokinetic models, would allow a better understanding of the competition between filamentous and flocculated bacteria.

Le travail présenté dans cet ouvrage concerne le développement d'une méthodologie d'optimisation des lois de contrôle/commande des stations d'épuration des eaux usées urbaines. Ce travail est basé sur l'utilisation des modèles des procédés de traitement afin de réaliser la simulation de leur fonctionnement. Ces simulations sont utilisées par un algorithme d'optimisation multi-objectifs, NSGA-II. Cet algorithme d'optimisation permet la recherche des solutions optimales en fonction des différents objectifs considérés (qualité de l'effluent, consommation énergétique, etc.). Il permet également la visualisation claire des compromis entre diverses lois de contrôle ainsi que la détermination de leurs domaines d'application respectifs. Dans une première partie de cet ouvrage, la méthodologie est développée autour de quatre axes principaux : la conception d'une méthode de simulation fiable et robuste, le choix des jeux de données d'entrée à utiliser en simulation, le choix des objectifs et contraintes à considérer et enfin l'évaluation des performances et de la robustesse à long terme des lois de contrôles. L'application de cette méthodologie sur le cas d'école du BSM1 est réalisée dans cette première partie. Dans une seconde partie, la méthodologie développée est appliquée sur le cas réel de l'usine de dépollution de Cambrai. Cette application a nécessité le développement de nouveaux aspects que sont la génération de données d'entrée dynamiques à partir des données d'auto-surveillance de la station d'épuration et la simulation des lois de contrôles basées sur une mesure du potentiel redox. Cette application a permis de visualiser les compromis entre la loi de contrôle actuellement utilisée sur site et une nouvelle loi envisagée. Il a ainsi été possible d'évaluer le gain de performances à attendre de ce changement.

La modélisation du fonctionnement des stations d'épuration est un outil largement utilisé notamment pour l'optimisation et la réhabilitation des ouvrages existants et le dimensionnement de nouvelles installations. S'assurer d'une bonne qualité des modèles est donc primordial. Or, d'après les résultats d'une enquête internationale effectuée auprès de 96 utilisateurs potentiels de modèles, deux étapes dans l'utilisation des modèles sont considérées comme particulièrement délicates: le choix du modèle à utiliser parmi les modèles disponibles et l'étape de calage de ces modèles. Le travail présenté visait à fournir des éléments pour lever des obstacles à une utilisation plus généralisée des modèles biocinétiques à boues activées. Il a porté sur sept des modèles publiés : (1) ASM1, (2) ASM2d, (3) ASM3, (4) ASM3+BioP, (5) ASM2d+TUD, (6) Barker & Dold et (7) UCTPHO+. Dans un premier temps, une analyse des connaissances pratiques des modèles a été effectuée afin d'améliorer le transfert des connaissances en modélisation. Une base de données de jeux de paramètres a été créée à partir d'études publiées et d'un questionnaire adressé aux utilisateurs de modèles. Cette base de données a notamment permis d'établir des fourchettes de valeurs utilisées pour l'ASM1 et l'ASM2d. Puis, une analyse connaissances théoriques ayant pour but d'aider les utilisateurs à mieux comprendre les sept modèles et à choisir le modèle adapté à leur projet a été réalisée. Les modèles étudiés ont d'abord été vérifiés et les erreurs de frappe et incohérences ont été corrigées. Les concepts de modélisation ont été comparés entre eux grâce à une nouvelle représentation graphique, et confrontés aux connaissances sur le fonctionnement biologique des boues activées afin de mettre en évidence les limites théoriques des modèles. En dernier lieu, une méthodologie a été développée pour l'obtention de jeux de paramètres par défaut qui pourraient être utilisés comme valeurs initiales lors du calage des modèles. Pour cela, une procédure de calage multi-jeux de données a été élaborée. Cela nécessite au préalable le développement d'une procédure de calage automatisée et l'utilisation d'un critère de qualité permettant de définir l'arrêt de la procédure de calage. Une analyse est effectuée sur les critères de qualité utilisés en sciences de l'environnement.

Ce travail s'est focalisé sur le devenir des polybromodiphényléthers (PBDE) et des alkylphénols (AP) dans les filières de traitement des eaux usées des stations d'épuration Seine-Centre et Seine-Amont, en agglomération parisienne. Des prélèvements effectués par temps sec et par temps de pluie ont permis de déterminer la qualité des eaux brutes vis-à-vis des paramètres globaux, des PBDE et des AP, ainsi que l'efficacité des ouvrages de traitement primaire et secondaire. Par temps sec, les concentrations dans les eaux brutes de Seine-Amont sont en moyenne 6 et 2 fois plus élevées pour ∑6AP et ∑4PBDE respectivement. Un bassin-versant plus industrialisé sur Seine-Amont et une forte dilution dans le réseau de Seine-Centre expliquent ces différences. Par temps de pluie, la pollution est diluée sur Seine-Amont. A l'inverse, la pollution particulaire augmente sur Seine-Centre, à cause de l'érosion des dépôts présents dans le réseau. En traitement primaire, la décantation physico-chimique lamellaire sur Seine-Centre favorise nettement l'abattement des pollutions particulaires et organiques. Ses performances sont stables et bien plus élevées que la décantation classique sur Seine-Amont. Par temps de pluie, les performances des deux ouvrages sont conservées, voire améliorées, malgré une hausse des charges polluantes et des vitesses ascensionnelles. Aucun de ces ouvrages n'est adapté au traitement de la pollution dissoute. En traitement secondaire, des abattements élevés pour la biofiltration et les boues activées ont été obtenus. Les traitements des deux stations étudiées conduisent à des effluents secondaires de qualité globalement similaire, même si les concentrations en pollution particulaire et en PBDE restent plus élevées sur Seine-Amont. Par temps de pluie, le 3ème étage de la biofiltration est dérivé et aéré sur Seine-Centre. Cette configuration impacte principalement les nitrates et le BDE-209. Sur Seine-Amont, les performances des boues activées sont légèrement affectées mais restent généralement supérieures à 80 %. Ceci conduit à des concentrations dans les effluents secondaires par temps de pluie 1,4 à 3 fois plus élevées en moyenne pour la pollution particulaire et les PBDE

Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué. L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système « membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires. / Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the “membrane/sludge” system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.

Une méthode miniaturisée de fractionnement de la Demande Chimique en Oxygène (DCO) dans les eaux usées a été développée pour vérifier une possible variabilité à court terme de ce fractionnement et son influence sur le comportement des installations d’épuration par boues activées. Des tests de biodégradabilité, en réacteur fermé, ont été effectués avec des échantillons moyens horaires de temps sec (24h) provenant de deux stations d’épuration urbaines. Les analyses réalisées ont concerné la DCO totale et soluble, la Demande Biologique en Oxygène, les matières sèches et en suspension, l’ammonium et ont été complétées par des analyses spectrales (UV-visible et fluorescence). Globalement, en accord avec les données de la littérature, les fractions biodégradables sont les plus importantes en terme de concentration. Une variabilité journalière du fractionnement a été observée, sans qu’il soit possible de dégager des tendances particulières indiquant la prééminence de telle ou telle fraction. L’effet de la variabilité du fractionnement a été testé en boucle ouverte en utilisant un schéma classique d’épuration du carbone et de l’azote dans un simulateur de référence, le Benchmark Simulation Model 1. Les simulations ont permis de vérifier l’importance de la variabilité du fractionnement de la DCO sur une station d’épuration. Les concentrations en DCO dans l’effluent sont affectées par le rapport entre la fraction biodégradable et inerte, mais restent dans une limite acceptable par rapport aux normes de rejet. La situation est différente et plus délicate pour les rejets en matières azotées car ils sont proches des limites fixées par la réglementation / A miniaturized method has been developed for the fractionation of Chemical Oxygen Demand (COD) in wastewater in order to assess its variability and its effects on the behaviour of wastewater treatment plants by activated sludge. Biodegradability tests have been performed in batch reactor on daily composite samples grabbed by dry weather with a 1h sampling interval. The method has been applied on samples from two urban wastewater treatment plants. The samples were analysed for total and soluble COD, Biological Oxygen Demand, turbidity, total suspended solids and N-NH3. UV-visible and fluorescence spectra have also been collected. It has been observed, as in literature, that the biodegradable fractions are the most significant ones in terms of concentration. A variability of the fractionation during the day has been observed, although it was not possible to determine definite tendencies for particular fractions. In order to evaluate the effect of the variability of the fractionation, the Benchmark Simulation Model n°1 has been used. The sensibility analysis has been performed in open loop. The simulations allowed verifying the impact of the variability of the fractionation on a treatment plant based on a classical setup for the treatment of carbon and nitrogen. The COD concentrations of the plant effluent are affected by the ratio between the biodegradable fraction and the non-biodegradable one, although staying in an acceptable limit according to the discharge limits. The same is not true for the nitrogen, which are close to these limits

Au Liban, 65% de la population résident à Beyrouth et au Mont Liban particulièrement dans la zone côtière et dans une bande étroite du flanc ouest du Mont Liban. Cette occupation engendre une forte pression anthropique sur les ressources hydriques. En effet environ 330 Mm3 d'eaux usées par an sont rejetés dans la Méditerranée par 53 émissaires distribués sur les villes côtières. Ces eaux, rejetées en grande majorité sans traitement, représentent le vecteur principal de pollution du milieu récepteur que représente la Mer Méditerranée (MOE/UNDP/ECODIT, 2011).Cette étude avait pour objectif principal de déterminer la qualité des eaux usées au Liban et d'établir une comparaison entre les contextes Libanais (en s'appuyant sur Beyrouth) et Français (cas de l'agglomération parisienne). Un suivi ponctuel des eaux usées provenant de 4 sites de prélèvement représentatifs de la région de Beyrouth et ses banlieues (sites d'Al Ghadir, Fleuve Beyrouth, Antelias et Jounieh) a été conduit. Deux sites ont été sélectionnés pour un suivi en continu de l'évolution des eaux usées aux échelles journalière et hebdomadaire : Jounieh et Al Ghadir. En France, une série de campagnes ont été réalisées sur les principaux émissaires des stations d'épuration de Marne Aval, Seine Amont, Seine Centre et Seine Aval, au sein de la STEP Seine Centre (au niveau des traitements primaire et secondaire), et en Seine. Ensuite les résultats à Beyrouth et Paris ont été confrontés pour déterminer l'impact sur l'environnement qu'aurait la mise en place de traitements adaptés aux effluents libanais. Les niveaux de contamination pour les paramètres globaux sont comparables pour le prélèvement ponctuel entre les bassins versants d'Al Ghadir et de Jounieh. Cependant les niveaux relevés à Al Ghadir et Jounieh sont plus élevés que ceux d'Antelias et Fleuve Beyrouth. Par ailleurs, le suivi en continu a permis de mettre en évidence que les niveaux en MES, MVS, DCOT et DBO5 sont généralement comparables sur les deux sites Al Ghadir et Jounieh. La comparaison avec les émissaires parisiens montre des différences significatives pour les MES, MVS et DBO5, ces paramètres sont significativement plus élevés sur les sites libanais. Pour la DCOT, les concentrations sont comparables entre les deux pays. En comparant les ETM totaux (Cr, Zn, Cu, Cd et Pb), on trouve que la concentration en cuivre des émissaires parisiens est plus élevée que celle du Liban pour les bassins versants d'Al Ghadir et Jounieh. Pour le plomb et le zinc, les concentrations sont comparables entre les deux pays. Enfin les concentrations en cadmium et chrome sont beaucoup plus élevées à Beyrouth qu'à Paris. Les flux en ETM au Liban exportés vers la Mer Méditerranée pour le site d'Al Ghadir sont 20,7; 20,8; 2,42; 0,6; et 1,5 kg/jour respectivement pour le CrT, ZnT, CuT, CdT et PbT et pour l'émissaire de Jounieh 0,66; 3,7; 0,38; 0,045 et 0,33 kg/jour. En s'appuyant sur l'efficacité des STEP parisiennes, les niveaux rejetés diminueraient de 90 à 98% pour les MES, de 84 à 95% pour la DCOT et de 63 à 97 % suivant l'ETM concerné / In Lebanon, 65 % of the population lives in Beirut and Mount Lebanon particularly along the coastal area and a narrow band of the western side of the Lebanon Mount. This occupation generates a strong anthropic pressure on the water resources. Indeed approximately 330 mm3 of waste waters a year are rejected into the Mediterranean by 53 trunks distributed along the coastal towns. In fact, these wastewaters are released to natural media without any significant treatment and These effluents, released in great majority without treatment, are considered as the primary vector of the Mediterranean Sea pollution (MOE/UNDP/ECODIT, 2011).This study aimed at determining the quality of wastewaters in Lebanon and at establishing a comparison between the Lebanese (with respect to Beirut) and French (case of the urban area of Paris) contexts. A specific monitoring of wastewaters was led on 4 representative sampling sites of the area of Beirut and its suburbs (Al Ghadir sites, Beirut River, Antelias and Jounieh). Two sites were selected to follow the evolution of the wastewater quality both at the daily and weekly scale: Jounieh and Al Ghadir. In France, a series of campaigns were carried out on the main trunks of several wastewater treatment plants, e.g., Marne Aval, Seine Amont, Seine Aval and Seine Centre, in the Seine Centre WWTP (within the primary and secondary treatments), and in the Seine River. Then the results in Beirut and Paris were confronted to determine the environmental impact of the installation of treatments adapted to the Lebanese effluents.Contamination levels for the water quality parameters were comparable for the punctual sampling between the Al Ghadir and Jounieh watersheds. However, the levels found in Al Ghadir and Jounieh were higher than those of Antelias and Beirut River. In addition, continuous monitoring helped to highlight the levels of TSS, VSS, BOD5 and CODT were generally comparable at both sites: Al Ghadir and Jounieh. The comparison with the Parisian trunks showed significant differences for TSS, BOD5 and VSS, these parameters were significantly higher on Lebanese sites. For CODT, concentrations were comparable between the two countries. By comparing the total ETM (Cr, Zn, Cu, Cd and Pb), we found that Cu concentrations in Parisian trunks were higher than those of Lebanese Al Ghadir and Jounieh watersheds. For lead and zinc concentrations were comparable between the two countries. Finally, the concentrations of cadmium and chromium were much higher in Beirut than in Paris. Trace metal flows to the Mediterranean Sea from the Al Ghadir site were of 20,7; 20,8; 2,42; 0,6; and 1,5 kg/day for CrT, ZnT, CuT, CdT and PbT respectively, and for Jounieh they were of 0,66; 3,7; 0,38; 0,045 and 0,33 kg/day, respectively. Based on the effectiveness of the Parisian WWTPs, released levels would decrease by 90-98 % for TSS, 84-95 % for CODt and 63-97 % depending on the ETM concerned

Ce travail de thèse constitue le prolongement direct des travaux de thèse Chachuat (2001) sur l'optimisation dynamique et la commande optimale des stations de traitement de petite taille. L'objectif est d'aller plus loin en s'intéressant aux dimensionnement et fonctionnement optimaux des stations de traitement des eaux usées de toute taille. Ainsi, dans une première étape, l'optimisation des stations de traitement de petite taille a été abordée. Contrairement à ce qui a été fait jusqu'à maintenant : (i) l'aération n'est plus alternée, mais continue, (ii) le décanteur n'est plus considéré comme parfait, mais son fonctionnement est modélisé à l'aide d'une série de 10 couches de décantation, (iii) la méthode d'optimisation développée est fondée sur la méthode des sensibilités implémentée au sein du logiciel de simulation et optimisation dynamiques gProms, utilisé dans toute la thèse. L'influence du modèle du décanteur sur la minimisation de l'énergie d'aération a été particulièrement analysée. Dans une deuxième étape, les stations de traitement de grande taille sont considérées. Plus spécifiquement, le modèle benchmark développé par le réseau européen COST a été utilisé pour décrire leur fonctionnement. Un « foreignobject » a été développé pour que la simulation et l'optimisation du fonctionnement de ces stations soient possibles sous gProms. L'optimisation a notamment montré que la consommation d'énergie d'aération pouvait être réduite d'au moins de 30% par rapport au fonctionnement actuel de ces stations. Dans une troisième étape, l'optimisation du dimensionnement des stations de traitement de grande taille a été étudiée. Une superstructure a ainsi été définie avec plusieurs (cinq) réacteurs et un décanteur. Toutes les possibilités de recyclage et de court-circuit entre les réacteurs d'une part et entre les réacteurs et le décanteur d'autre part sont prises en compte. L'objectif était de déterminer la meilleure structure et les valeurs optimales des volumes des réacteurs qui permettent de minimiser le coût total tout en respectant les contraintes réglementaires sur les rejets.Par ailleurs, une optimisation multicritère de la station optimale résultante a été réalisée. Elle a permis de déterminer l'ensemble de Pareto des solutions qui minimisent la consommation énergétique (d'aération et de pompage) et maximisent la qualité de l'effluent. La quatrième et dernière partie de ce travail s'intéresse à la modélisation, simulation et optimisation de la station de traitement de Verulam près de Durban en Afrique du Sud. Des mesures expérimentales ont été réalisées sur cette station et le modèle ASM1 a été utilisé pour décrire son fonctionnement. Une analyse d'estimabilité des paramètres a été d'abord réalisée pour déterminer les paramètres du modèle qui peuvent être estimés à partir des mesures expérimentales disponibles. Les paramètres estimables ont ensuite été identifiés à l'aide de gProms. Le modèle ainsi identifié a été validé et ensuite utilisé pour optimiser le fonctionnement énergétique de cette station / This work is a direct extension of the PhD thesis of Chachuat (2001) on dynamic optimization and optimal control of small size wastewater treatment plants. The objective is to go further by focusing on optimal design and operation of wastewater treatment plants of any size. Thus, in a first part, optimization of small size wastewater treatment plants was studied. Contrary to what has been done so far: (i) the aeration is no longer alternating, but continuous, (ii) the settler is not considered perfect, but its operation is modeled using a series of 10 sedimentation layers, (iii) the optimization approach developed is based on the method of sensitivities implemented wthin the dynamic simulation and optimization software gProms, used throughout this work. The influence of the settler model on the minimization of aeration energy was particularly investigated. In a second part , the large size treatment plants are considered . More specifically, the benchmark model developed by the European network COST was used to describe their operation. A "foreign object" was developed in order to make the simulation and optimization of these plants possible using gProms. The optimisation showed that the aeration energy consumption could be reduced by at least 30 % compared to the current operation of these plants . In a third part, the optimization of the design of the wastewater treatment plant was studied. A superstructure has been defined with several (five) reactors and a settler. All the possibilities of recycling and by-passes between the reactors on the one hand and between the reactors and the settler on the other are considered. The objective was to determine the best structure and the optimal values of the reacter volumes that minimize the net present value while respecting the regulatory constraints. On the other hand, a multi-objective optimization problems of the treatment plant was carried out. It allawed to determine the Pareto set of solutions that minimize the energy consumption (pumping and aeration) and maximize the effluent quality. The fourth and last part of this work focuses on modeling, simulation and optimization of the treatment plant of the city of Verulam in the area of Durban in South Africa. Experimental measurements were carried out on the plant and the ASM1 model was used to describe its operation. An estimability analysis was first performed in order to determine the model parameters that can be estimated from the available experimental measurements . The estimable parameters were then identified using gProms . The identified model was validated and then used to optimize the energy function of this plant

Le but principal de cette étude était d'évaluer et de mieux comprendre l'impact de la vitesse superficielle de gaz et des propriétés de boues activées (BA), sur leur comportement rhéologique et le transfert de l'oxygène dans des bioréacteurs.Tout d'abord, la rhéologie des BA a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre tubulaire, conçu et construit dans ce travail. Des mesures rhéologiques ont été effectuées avec des BA provenant de cinq stations d'épuration (STEP) et avec des concentrations en MES comprises entre 2.3 et 10.2 g L-1. Selon ces résultats, la rhéologie des BA est significativement déterminée par la concentration en matière en suspension (MES) mais d'autres caractéristiques liées à leur origine, tel que la taille, la cohésion et la densité du floc, peuvent aussi influencer la viscosité apparente des boues. Basé sur les rheogrames expérimentaux, le modèle rhéologique issu de cette étude est comparé à des modèles rhéologiques existants.Deuxièmement, le transfert d'oxygène a été évalué dans une colonne à bulles (Hc=4.4 m, Dc=0.29m) installée dans deux STEP: une installation classique et un bioréacteur à membrane. La colonne, alternativement équipée d'un diffuseur fines ou grosses bulles (FB, GB), a été alimentée en continu avec des BA extraites du réacteur d'aération, ou de la boucle de recirculation ou du réacteur membranaire. Pour des MES comprises entre 3.0 et 10.4 g L-1, le coefficient kLa a étéplus faible dans les BA que dans l'eau propre et encore réduit avec une augmentation des MES. Cette diminution est en partie attribuable à la réduction observée de la rétention de gaz (εG), associée à une augmentation de la viscosité apparente des boues, celle-ci entrainant une réduction de l'aire interfaciale spécifique (a) due à la coalescence de bulles et à la formation de bulles plus grosses. Aussi, la concentration des tensioactifs non ioniques, a montré un effetnégatif sur le coefficient kLa lors des tests d'oxygénation effectués en aération FB et faibles concentrations en MES. Cet impact n'a pas été observé dans des conditions d'aération GB, ce qui a été expliqué par le taux de renouvellement d’interface plus élevé généré par ces dernières. Enfin, le taux de cisaillement moyen exercé par l'essaim de bulles dans la colonne pendant les tests d’oxygénation a été théoriquement évalué compte tenu des conditions d’opération. Par lasuite, des corrélations empiriques ont été construites en utilisant des nombres adimensionnels et expriment le coefficient kLa en fonction de la vitesse superficielle de gaz et la viscosité apparente, tout en considérant sa dépendance du taux de cisaillement. Enfin, le facteur alpha est défini comme une loi de puissance décroissante en fonction de la viscosité apparente, pour des systèmes à faible chargé. / The main purpose of this study was to evaluate and better understand the impact of superficial gas velocity and activated sludge properties,on activated sludge rheology and oxygen transfer in bioreactors. First of all, activated sludge rheology was evaluated using a tubular rheometer, designed and constructed in this work. Rheological measurements were performed with activated sludge from five different wastewater treatment plants and with MLSS concentrations between 2.3 and 10.2 g L-1. Results showed that although the sludge rheology is significantly defined by the MLSS concentration, other sludge characteristics related to the sludge orign, such as such as floc size, floc cohesiveness and floc density also influence the sludge apparent viscosity. Existing rheological models were evaluated on the set of obtained experimental flow curves. Besides, the oxygen transfer is evaluated in a bubble column (Hc=4.4, Dc=0.29 m) installed in two different wastewater treatment plants: a conventional activated sludge plant (CAS) and a membrane bioreactor (MBR). The column, alternatively equipped with a fine or a coarse bubble diffuser (FB, CB), was continuously fed with activated sludge extracted either from the aeration tank, the recirculation loop or the membrane reactor. With MLSS concentrations from 3.0 to 10.4 g L-1, the kkllaa coefficient was lower in activated sludge than in clean water and still reduced with an increase of the MLSS concentration. This reduction is partially attributed to the observed reduction of gas holdup (εεɢɢ), associated with an increase in the sludge apparent viscosity (µµαααααα), which leads to a reduction of the specific interfacial area (αα) due to bubble coalescence and the formation of larger bubbles. Besides, the concentration of non-ionic surfactants, exhibited a negative effect on the κκιιαα coefficient for the oxygenation tests performed under FB aeration conditions and low MLSS concentration. This impact was not observed under CB aeration conditions, which was explained by the higher renewal rates generated by coarse bubbles. Finally, the mean shear rate exerted by the bubble swarm in the column during the oxygen transfer tests was theoretically evaluated considering the operating conditions. Subsequently, empirical correlations were constructed using dimensionless numbers and express the oxygen transfer coefficient as a function of the superficial gas velocity and the apparent viscosity, considering its shear rate dependence. Finally, alpha factor is defined as a power law decreasing function of the apparent viscosity, for low loaded activated sludge systems.