Parmi les différentes technologies pour produire un effluent conforme aux normes de rejet en vigueur, les Procédés par Boues Activées sont largement utilisés en tant que traitement biologique du fait de leur faible coût et de leur facilité d’implémentation. Ces procédés réalisent l’abattement des polluants en deux étapes : (1) la biodégradation par des microorganismes dans un bassin d’aération et (2) la séparation de la biomasse par décantation. Les paramètres opératoires peuvent agir sur l’efficacité du procédé, notamment en modifiant les propriétés des boues . L’objectif de ce travail est d’apporter un nouvel éclairage sur cette relation triangulaire en mettant en perspectives les propriétés de taille et de forme des flocs de boues et les performances du procédé de traitement. La première étape pour parvenir à cet objectif a consisté à développer une méthodologie de caractérisation des flocs de boues par analyse d’images à l’aide du microscope automatisé Morphologi G3 de Malvern Instruments. Le protocole de mesure proposé repose sur le choix de la cellule d’analyse, du facteur de dilution, du grossissement, du seuil de niveau de gris mis en œuvre pour la binarisation des images et du nombre total de particules analysées. Des boues provenant de plusieurs stations d’épuration ont été étudiées afin d’évaluer la robustesse de la méthodologie. Des différences en termes de propriétés de taille et forme - Diamètre équivalent (Deq), Circularité (C), Convexité (Cx), Solidité (S) et Rapport d’Aspect (RA) - entre les différentes boues sont clairement apparues. Le protocole de caractérisation de la morphologie étant établi et validé, deux campagnes expérimentales ont été mises en œuvre en utilisant un système à boues activées à l’échelle pilote alimenté par un effluent synthétique. Les descripteurs morphologiques ont été mesurés sur des échantillons d’environ 100 000 flocs permettant d’atteindre une statistique fiable aussi bien sur la taille que sur la forme des agrégats. La performance du procédé a été évaluée en suivant des indicateurs physicochimiques classiquement associés au traitement des eaux usées : Matières en Suspension (MES), Indice de Boue (IB), taux d’abattement de la Demande Chimique d’Oxygène (DCO) et de l’Azote (N). Cette stratégie a permis d’identifier des relations entre les performances d’épuration, la morphologie des agrégats et les paramètres opératoires. Pendant la première campagne, trois valeurs différentes de l’âge de boue ont été imposées : 15, 20 et 30 jours. Lors d’un changement d’âge de boue, la taille et la circularité des flocs biologiques augmentent temporairement avant de se stabiliser à nouveau à leurs valeurs initiales. Ainsi, en régime permanent, les distributions en taille et en circularité semblent indépendantes de l’âge de boue. Lors de la deuxième campagne, trois paramètres opératoires ont été modifiés : la charge organique, le taux de recirculation et le rapport DCO:N. Une charge organique élevée a provoqué une forte augmentation de la taille des flocs et une diminution de leur solidité. Ce résultat peut être expliqué par la croissance de bactéries filamenteuses qui impacte fortement la morphologie des flocs et la performance du procédé. L’augmentation du taux de recirculation et la diminution du rapport DCO:N ont, en outre, induit une légère réduction de la taille des flocs et une évolution peu significative des valeurs de circularité et convexité. L’analyse des distributions en 3 Dimensions couplant les données de taille et de forme s’est révélée un outil prometteur, permettant de proposer des mécanismes responsables de l’évolution des propriétés morphologiques des boues. Enfin, une autre approche a été développée sur la base de deux dimensions fractales reliant l’aire et le périmètre des flocs (Dpf) ou l’aire et la longueur maximale (D2). De brusques variations de Dpf et D2 ont été corrélées avec les phénomènes liés au développement de bactéries filamenteuses. / Among the different technologies dealing with the strict regulations concerning wastewater treatment, the Activated Sludge Process remains extensively applied as a biological treatment because of its low cost and its convenience of implementation. This straightforward technique achieves good levels of organic matter removal combining biodegradation in an aerated tank with solid-liquid separation through a subsequent clarifier. The impact of the operational parameters on process efficiency is presumably correlated to the sludge activity and hence to the flocs properties. In this context, the aim of this work is to bring new insights into this relationship in characterizing the size and the shape of sludge flocs and put the operating conditions and the process performance in perspective. To achieve this objective, a methodology was established first for the morphological characterization of sludge flocs by image analysis thanks to the automated microscope Morphologi G3 from Malvern Instruments Ltd. The steps involved in this methodology consisted in defining some analysis settings including the selection of the sample carrier, the dilution factor, the magnification, the threshold needed for the image binarization and the total number of analysed particles. Analyses were performed on various types of sludge allowing an evaluation of the methodology robustness. Differences clearly appeared in terms of size and shape properties – Circular Equivalent Diameter (CED), Circularity (C), Convexity (Cx), Solidity (S), and Aspect Ratio (AR) between the different types of sludge. The image analysis protocol having been established and validated, two experimental campaigns were run using a lab-scale activated sludge system fed with synthetic wastewater. The morphological descriptors were defined on the base of about 100,000 sludge flocs per sample allowing to reach reliable statistics for both size and shape properties. Process performance was assessed measuring physicochemical parameters commonly associated with wastewater treatment: Total Suspended Solids (TSS), Sludge Volume Index (SVI), Chemical Oxygen Demand (COD) and Nitrogen (N) removal. This strategy has mostly enabled to identify relationships between the treatment performance, the floc morphology and the operating conditions. During the first campaign, three values of solids retention time (SRT) were tested: 15, 20 and 30 days. Increasing the SRT, the size and the circularity of the flocs increased temporarily before recovering their initial values. Under steady state conditions, the size and circularity distributions seem thus to be independent of the SRT. In the second campaign, three operating conditions were modified in turn: the Organic Load Rate (OLR), the recycle rate and the COD:N ratio. A high OLR has promoted a strong increase of flocs size and the decrease of their solidity. This result can be explained by the development of filamentous bacteria that highly impacts the aggregates morphology and hence the process performance. An increase of the recycle rate or a decrease of the COD:N ratio induced a slight reduction of floc sizes and an insignificant evolution of circularity and convexity values. The analysis of the volume-based 3D-distributions crossing size and shape data appeared as a smart tool allowing to propose mechanisms responsible of the changes of the morphological properties of biological flocs. Finally, another approach was developed, based on the estimation of two 2D fractal dimensions linking the area and the perimeter of flocs (Dpf) or the area and the maximum length (D2). Sudden changes of Dpf and D2 were correlated to phenomena related to the presence of filamentous bacteria.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2018INPT0055 |
| Date | 06 July 2018 |
| Creators | Oliveira, Pedro |
| Contributors | Toulouse, INPT, Frances, Christine, Alliet, Marion |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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