Cette thèse s’articule autour d’un thème commun qu’est la dégradabilité des composantes des boues activées XU,Inf et XE. Ces composantes particulaires sont considérées comme non biodégradables dans les procédés de boues activées conventionnels. La dégradabilité de ces composantes a été considérée pour des TRB conventionnels, élevés (Chapitre 4) et très élevés (Chapitre 5) et suite à l’ozonation des boues (Chapitre 6).
La présente thèse est composée de 8 chapitres incluant les deux précédents. Le contenu de chacun des chapitres est décrit ci-dessous :
Le premier chapitre (1) présente tout d’abord une mise en contexte des sujets abordés dans cette thèse, suivi de l’objectif général et des objectifs spécifiques de la recherche, puis des hypothèses.
Le chapitre (2) présente une revue de littérature sur les travaux réalisés en lien avec le fractionnement des eaux usées, la production de boues, la modélisation des procédés de boues activées et la réduction de la production de boues. Une emphase particulière est portée sur les procédés de digestion anaérobie, de boues activées opérés à des TRB très élevés et d’ozonation des boues activées.
Le présent chapitre (3) présente la démarche de l’ensemble du travail de recherche, le thème commun à l’ensemble du travail et l’organisation générale de cette thèse.
Le chapitre (4) porte sur la détermination des paramètres stoechiométriques et cinétiques (YH, bH et f) permettant de mieux prédire la production de boues. Cette détermination est basée sur des travaux de rétention complète des boues, réalisés à l’aide d’un bioréacteur à membranes alimenté par des eaux usées municipales et sujet à des périodes non alimentées, pendant lesquelles la biomasse était soumise à des conditions de famine. La calibration du modèle pour la production de boues est réalisée par comparaison de deux jeux de paramètres communément utilisés dans l’industrie et par les consultants, soit le modèle de Metcalf et Eddy (2003) et le modèle du logiciel BioWin 3.1 (EnviroSim Associates Ltée). La qualité de la calibration des deux jeux de paramètres y est présentée à l’aide de mesures de l’erreur quadratique moyenne, suivi d’une
analyse de sensibilité du principal paramètre de calibration, soit la fraction organique non biodégradable particulaire de l’affluent (fXU), sur les paramètres à l’étude. Ces travaux ont aussi permis de déterminer le contenu en azote et en phosphore de XU,Inf et XE sur la base des travaux de Ramdani (2012b) qui visaient à caractériser le résidu endogène et sa biodégradabilité (et qui font partie intégrante du même projet de recherche que cette thèse). Ces travaux sont présentés sous forme d’article scientifique.
Le chapitre (5) porte sur la modélisation et la caractérisation d’un procédé reconnu pour opérer à des TRB très élevés, soit le procédé de réduction de la production de boues Cannibal® (Johnson et al., 2008). Les différents mécanismes pressentis de ce procédé sont d’abord simulés pour en évaluer l’impact potentiel respectif sur la production de boues par rapport à un cas de base, en considérant un affluent d’eaux usées brutes typiques (500 mg DCO/L; fXU = 0,13; fSU = 0,05) et pour des TRB variant de 0 à 200 jours. L’impact de l’enlèvement de XU,Inf et de XE est d’abord évalué, successivement, en simulant un microtamis et un hydrocyclone idéaux (qui enlèvent tout et seulement les composantes ciblées), respectivement. La dégradation lente du XE est ensuite simulée à l’aide d’une cinétique de premier ordre (bE = 0,007 d-1), sur la base d’études passées réalisées à des TRB très élevés et sous rétention complète des boues (Ramdani et al., 2012a; Spérandio et al., 2013). La dégradation lente de XU,Inf, très peu documentée, est enfin simulée par une cinétique de premier ordre (bU) plutôt que de considérer sont enlèvement par un microtamis, ce qui permet d’évaluer une valeur de bU maximale. Ces divers cas illustrent le potentiel de chacun des mécanismes du procédé Cannibal® à réduire la production de boues. Un CRRE de type Cannibal® à pleine échelle est ensuite caractérisé afin de déterminer la production de déchets non biodégradables organiques (trash) et inorganiques (grit) et la production de boues activées. Ces résultats sont ensuite mis en perspectives sur la base de simulations. Ces travaux sont présentés sous forme d’article scientifique.
Le chapitre (6) porte sur l’ozonation de boues activées synthétiques de composition en XH et XE variables. Ces boues étaient générées à partir d’un bioréacteur à membranes de taille pilote alimenté avec un affluent constitué d’acétate comme seule source de carbone et sans matières particulaires (XU,Inf, ISS), et donc ne contenaient que du XH et du XE (boues fraîches), dans des proportions déterminées de 68 et 32%, respectivement. Les boues fraîches, après une digestion aérobie prolongée, étaient essentiellement composées de XE. (Ramdani et al., 2012a). Ces boues
digérées ont été soumises à des doses d’ozone variant de 0,0 à 1500 mg O3/g DCO en cuvée afin de déterminer le rendement de solubilisation (g DCO/g O3) et l’augmentation de la biodégradabilité (g DBO5/g DCO) des matières organiques particulaires et solubilisées suite à cette oxydation. Les boues fraîches ont été soumises à des doses d’ozone inférieures à 10 mg O3/g DCO afin de déterminer le rendement de solubilisation et l’effet de l’ozone sur l’activité et la viabilité de la biomasse active. Ces travaux sont présentés sous forme d’article scientifique.
Le chapitre (7) présente une discussion générale portant sur les trois articles constituant les chapitres 5 à 7.
Le chapitre (8) présente les principales conclusions, des recommandations pour des travaux futurs et le potentiel de transfert technologique des procédés étudiés.