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(2002-2005)
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Chercheurs du LGP2 (EFPG, INPG, CNRS, CTP)
(Novembre 2006)
 
Documents extraits du
"Rapport d'activité scientifique du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers  - UMR 5518
Grenoble - France
Janvier 2002 - Novembre 2005"

I - Génie papetier et de l'environnement

I - 4 - Traitement biologique à boue activée d’effluents industriels ou urbains : de la conception d’un pilote instrumenté et supervisé au développement d’un outil d’aide à la décision
Cindy Bassompierre, Marc Aurousseau, Agnès Guillet, Mohamed Aichi, Catherine Cadet, Jean-François Béteau

Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet BQR (Bonus Qualité Recherche) 2003, classé prioritaire par l’INP Grenoble. Il repose sur la création d’une plate-forme technologique [Figure 1] constituée d’un pilote configurable et flexible, de taille semi-industrielle, permettant de développer des outils et des méthodologies qui soient transposables et adaptables au traitement de différents effluents industriels et urbains. Cette thèse s’appuie donc sur les compétences Automatique et Procédés du Laboratoire d’Automatique de Grenoble (LAG, UMR 5528) et du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers (LGP2, UMR 5518) qui sont les deux laboratoires d’accueils et supports de ce travail. De plus, ce projet bénéficie du soutien du milieu industriel : une convention a été signée avec le Centre Technique du Papier (CTP) pour l’implantation du pilote et l’échange de moyens techniques ; une collaboration avec le groupe papetier Matussière & Forest est également engagée notamment par l’échange de retours d’expériences et l’accès à une station de traitement (capteurs sur échelle 1, effluents industriels pour l’alimentation du pilote…).

Plate-forme expérimentale "boue activée"   Schéma du pilote de traitement des effluents
Figure 1 - Plate-forme expérimentale "boue activée"
 
  Figure 2 - Schéma du pilote de traitement des effluents

Le renforcement régulier des normes de rejet conduit les industriels et les collectivités à porter de plus en plus d’attention à la surveillance de leur procédé biologique de dépollution. Ces procédés sont très complexes et la nécessité de traiter de plus en plus efficacement toujours plus d’effluent dans le moins de temps et le moins d’espace possible rend le comportement de ces procédés très sensibles aux variations en charge polluante et en flux des eaux à traiter. De plus, le manque de connaissance et de mesures en ligne pénalise la gestion de ce type de procédé. La mise en place d’un outil complet, polyvalent et permettant une transposition des résultats à l’échelle 1 devient indispensable.

Le pilote développé [Figures 1 & 2] comporte l’ensemble des éléments d’un procédé de traitement biologique intervenant en aval d’un décanteur primaire :

Son dimensionnement est basé sur deux procédés de référence: un procédé urbain et un procédé industriel. Le pilote est entouré d’un certain nombre d’éléments permettant un fonctionnement continu et le retour d’un maximum d’informations [Figure 2] : capteurs en ligne, préleveur automatique, cuve de stockage sans dégradation de l’effluent à traiter, superviseur, armoire électrique. Des boucles de commande permettent le maintien à une valeur de consigne du niveau dans le réacteur et de la concentration en oxygène dissous.

Les premiers résultats de Distribution des Temps de Séjour (DTS) obtenus sur le réacteur pilote sont similaires à ceux du site industriel de référence (configuration en carrousel) et correspondent à un bassin parfaitement agité ce qui valide le dimensionnement du pilote. L’utilisation de chicanes pour créer différents compartiments va permettre par la suite de complexifier l’hydrodynamique du réacteur afin d’étudier l’influence de l’hydrodynamique sur le taux d’abattement de la pollution.

En parallèle, un modèle biologique a été développé. Fondé sur le modèle biologique de référence ASM1, il conserve une très grande précision tant d’un point de vue dynamique que d’un point de vue statique [Figure 3] tout en adoptant une structure beaucoup plus simple (minimisation du nombre de variables d’état et de paramètres, adaptation à des effluents industriels). Ce modèle a été validé sur des données de simulation d’une station urbaine de référence. Il doit maintenant être validé sur des mesures réelles provenant du pilote.

Validation du modèle réduit par temps d'orage
Figure 3 - Validation du modèle réduit par temps d'orage

En complément de cette étude, des capteurs logiciels ont été développés grâce à la méthode de l’observateur à horizon glissant afin de combler le manque d’information en ligne sur ce type de procédé. Le but de cet observateur est d’estimer l’état au début de l’horizon qui permet de s’approcher au mieux de l’état à la fin de l’horizon, en minimisant un critère des moindres carrés. Les concentrations en biomasse hétérotrophe et autotrophe (XBH et XBA) ainsi que la concentration en matière carbonée (XSS), difficiles à obtenir, peuvent ainsi être estimée à l’aide des mesures d’oxygène dissous (SO) et de nitrate/nitrites (SNH) [Figure 4].

Convergence de l'observateur suite à une variation du débit d'entrée
Figure 4 - Convergence de l'observateur
suite à une variation du débit d'entrée

La mise en place de ce pilote permet donc la réalisation d’une gamme de tests très variée (suivi de contaminant, influence de l’hydrodynamique, traitement assisté par des souches fongiques, modélisation, stratégie de contrôle…) que ce soit en présence d’effluents urbains ou industriels. Le caractère semi-industriel du pilote autorisera la transposition des résultats à l’échelle 1. D’autre part, les différents résultats obtenus sur la modélisation et la mise en place de capteurs logiciels représentent la base pour le développement d’un outil d’aide à la décision pour l’opérateur. Cet outil permettra une plus grande anticipation sur le comportement du procédé favorisant ainsi son contrôle et l’optimisation de son fonctionnement par l’opérateur.

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