Épuration par cultures fixées sur support géotextile

Les Géotextiles

   Sous le vocable “géotextile” est désigné tout “produit ou article textile utilisé en géotechnique et plus généralement dans les travaux de Génie Civil” (1, 2). Les géctextiles sont des nappes bi- ou tri-dimensionneiles constituées de fibres synthétiques. Des polymères courants sont utilisés pour leur fabrication : polypropylene, polyester, polyamide… Outre les constituants, les géotextiles sont distingués par le mode d’assemblage des filaments. Les caractéristiques des fibres et les modes de liaison déterminent leurs propriétés principales : ouverture de filtration, permittivité, transmissivité, résistance en traction, raideur etc. Ces propriétés sont définies en fonction des sollicitations auxquelles les géotextiles sont soumis en génie civil. Elles ne répondent pas forcément aux exigences d’utilisation dans un autre domaine comme l’assainissement. Ces produits n’ont pratiquement pas eu d’application en assainisse – ment. Par contre, ils ont connu un développement de plus en plus confirmé dans le domaine du bâtiment, des aménagements routiers et dans les infrastructure s où ils jouent un rôle hydraulique (filtration, drainage), mécanique (action de séparation, action de renfort) ou combiné (système anti-érosif). Notons, d’ailleurs, qu’ils constituent déjà une très grande famille grâce aux capacités de la textilurgie moderne.

Les réacteurs à matériaux en suspension

  Il s’agit d’une technique toute récente (16, 17). Les matériaux utilisés pour la fixation de la biomasse, ont une densité proche de celle de l’eau et une granulométrie de quelques mm à quelques cm. Ils se trouvent en suspension dans un bassin de boues activées et ils coexistent avec elles. Leur faible densité contribue à une facile mise en circulation suivant la turbulence des eaux du bassin. Peu d’informations ont été publiées sur cette méthode. Des petits cubes de mousse en polyuréthane et en poiyether ont été testés. Le but recherché est d’augmenter la concentration de la faune bactérienne dans le bassin d’aération sans pour autant diminuer son aptitude à la décantation. On peut envisager, ou non, l’extraction des matériaux afin de les laver et d’en éliminer les boues. La réhabilitation des stations fonctionnant à boues activées est possible.

Rôle de la nature du support

   Il est généralement admis (6) que la charge bactérienne est négative. A partir de cette constatation, LEBESGUE (30) essaie d’argumenter pour le choix d’un support de nature spécifique, notamment l’argile kaolinite calcinée et dopée d’éléments métalliques. Selon lui, le relargage cationique engendré par le support dopé, favorise l’agrégation des bactéries, levures et virus en milieu aqueux et l’adhésion de ces agrégats à la surface du matériau. La synthèse bibliographique de BLOCK et COLIN (23) met en évidence la capacité des bactéries à s’attacher aussi rapidement sur des matériaux hydrophiles qu’hydrophobes. Néanmoins, ROSENBERG (31) a conçu un test afin de pouvoir séparer les souches hydrophiles et hydrophobes par fixation sélective sur une surface de polystyrène. Des conclusions contradictoires existent en ce qui concerne l’influence de l’énergie libre de la surface (23. 24), ce qui est probablement dû à la spécificité de différentes expériences. BOLOORCHI et al. (32) font appel à la rugosité externe du support pour expliquer le bon accrochage sur les grains d’argiles calcinés, contrairement à celui observé sur des billes de verre. En outre, plusieurs chercheurs affirment que les bactéries épuratrices peuvent se développer sur presque toute surface. Des essais qui ont été effectués, en utilisant des matériaux divers sous les mêmes conditions de fonctionnement, n’ont pas révélé de différences dues à la nature même du support (7, 18, 25, 33, 34, 35). Dans le même sens, on peut apporter le témoignage d’un autre domaine : le milieu marin. En fait, les micro-organismes finissent par s’adapter et s’accroître même sur les surfaces couvertes d’un revêtement de peinture inhibitrice.

La surface spécifique et le taux de vide

   On appelle surface spécifique le rapport de la surface disponible à la colonisation d’un matériau, par unit é de volume apparent. Le taux de vide est le pourcentage du volume d’un lit, non occupé par le matériau de garnissage. Les deux grandeurs sont liées entre elles et jouent un rôle important dans la conception des réacteurs à cultures fixées. Intuitivement, il est admis que plus la surface d’échange de la bio – masse, confinée dans un volume donné, est grande, plus la pollution éliminée est élevée. Cette première évidence est confirmée par plusieurs études, où la surface d’échange est implicitement supposée égale à la surface spécifique (11, 18, 37, 38). BEN AIM et ROUSTAN soulignent le fait que l’hypothèse précédente n’est pas valable dans tous les cas pour les lits bactériens parce que le dépôt de biomasse modifie de façon significative la texture du garnissage (39). En se référant toujours aux lits bactériens, certains chercheurs concluent que l’influence de la surface spécifique sur le rendement est faible (40, 41).

Dynamique des processus des cultures fixées

  Tandis que l’approche décrite dans le chapitre précédent conserve une vision synthétique des phénomènes, on peut procéder à la modélisation, guidé par un esprit analytique. Cela tient plus à un besoin qu’à un principe car les procédés à cultures fixées se présentent dans une telle multitude de formes et d’applications (voir § 1.3.), qu’un modèle “universel” risque d’être trop général. La méthodologie suivie, ici, est empruntée aux techniques du Génie Chimique (72). Des bilans matière sont faits pour tous les constituants qui participent à l’épuration, sur un petit volume du réacteur. Les principaux constituants sont : le substrat organique dissous, les matières en suspension, la biomasse fixée, l’oxygène. Selon le procédé, on peut envisager des bilans matière encore plus spécifiques concernant la biomasse décrochée, les matières en suspension inertes ou vivantes, l’oxygène utilisé à travers le liquide-vecteur ou directement… Ensuite, on formule des hypothèses sur la vitesse de différentes actions chimiques ou physicochimiques. Des constituants non importants par rapport à d’autres sont éliminés. Un modèle d’écoulement dans le réacteur est admis et les équations sont intégrées pour la totalité du volume. Le terme “dynamique des processus du biofilm” est proposé par TRULEAR et CHARACLIS (25). Leur pilote fonctionne comme un réacteur parfaitement mélangé et le bilan matière concerne : le substrat organique limitant, la biomasse totale, la biomasse fixée, la biomasse en suspension. Les expériences montrent que la réaction métabolique suit l’équation de Monod. Les paramètres de cette équation k. XB (voir chapitre précédent), changent en fonction de la charge surfacique appliquée (MsL~2T~l).

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Table des matières

RESUME
INTRODUCTION
1. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 
1.1. Objectifs 
1.2 Les Géotextiles 
1.3 Les procédés d’épuration par bactéries aérobies fixées 
1.3.1. Techniques modernes
1.3.1.1. Les filtres biologiques granulaires
1.3.1.2. Les lits fluidisés
1.3.1.3. Les réacteurs à matériaux en suspension
1.3.1.4. Les lits immergés non-granulaires
1.4. Les matériaux de garnissage des réacteurs biologiques 
1.5. Critères de choix d’un support pour la fixation bactérienne 
1.5.1. La formation du biofilm
1.5.1.1. Les mécanismes
1.5.1.2. Rôle de la nature du support
1.5.1.3. Discussion
1.5.2. Propriétés nécessaires d’un support, compte tenu du milieu et de l’utilisation spécifiques
1.5.2.1. La surface spécifique et le taux de vide
1.5.2.2. Propriétés mécaniques, chimiques et biochimiques
1.5.3. Modélisation des procédés à cultures fixées
1.5.3.1. Les formules empiriques et semi-empiriques
1.5.3.2. Approche théorique
1.5.3.2.1. Modèle de WILLIAMSON et McCARTY
1.5.3.2.2. Dynamique des processus des cultures fixées
1.5.3.2.3. Discussion
1.6. Etudes des paramètres hydrauliques 
1.6.1. Modèle d’écoulement piston avec dispersion axiale
1.6.2. Modèle de N réacteurs en série, parfaitement mélangés
1.7. Le transfert d’oxygène des procédés aérobies à bactéries fixées 
2. EXPERIENCES PRELIMINAIRES EN LABORATOIRE 
2.1. Objectifs 
2.2. Partie expérimentale 
2.2.1. Les matériaux choisis pour les essais en laboratoire
2.2.2. Dispositif expérimental
2.2.3. Méthodes
2.2.3.1. Respirométrie
2.2.3.2. Mesures pondérales
2.2.3.3. Analyse écologique
2.3. Résultats et Discussion
2.3.1. Déroulement de la colonisation et aspect macroscopique du biofilm
2.3.2. Accumulation et activit é respiratoire de la Biomasse
2.3.3. Résultats de l’anaiyse écologique
2.4. Conclusions et choix d’un matériau peur la suite de l’étude 
3. EXPERIENCES SUR PILOTE A L’ECHELLE INDUSTRIELLE 
3.1. Objectifs 
3.2. Choix du procédé 
3.3. Matériel et Méthodes 
3.3.1. Caractéristiques de l’eau à épurer
3.3.2. Dimensionnement du pilote
3.3.3. Méthodologie du suivi
3.3.3.1. Mesures régulières
3.3.3.2. Plan des expériences et variation des différents paramètres
3.3.4. Lavage du massif épuratoire afin d’éliminer la biomasse en excès
3.3.5. Caractérisation de l’écoulement par traçage
3.3.6. Mesure directe du transfert d’oxygène
3.3.6.1. Analyse des gaz à l’entrée et à la sortie du pilote
3.3.6.2. Suivi de l’oxygène dissous
3.3.7. Turbidimétrie
3.3.8. Essais sur l’insufflation d’air dans le réacteur
3.3.9. Accumulation de la biomasse fixée
3.4. Résultats et Discussion 
3.4.1. Présentation générale des résultats
3.4.2. Définition du cycle de fonctionnement
3.4.3. Distribution du temps de séjour et modèle d’écoulement
3.4.3.1. Résultats d’essais en eau propre
3.4.3.2. Résultats d’essais en présence de biomasse
3.4.3.3. Conclusions de l’étude hydraulique
3.4.4. Résultats relatifs à l’utilisation d’oxygène
3.4.4.1. Concentration de l’oxygène dissous dans la colonne
3.4.4.2. Transfert d’oxygène
3.4.4.3. Utilisation d’02 par la biomasse
3.4.4.4. Conclusions
3.4.5. Commande du procédé et turbidimétrie
3.4.6. Changements à l’insufflation d’air dans le réacteur
3.4.7. Elimination des boues pendant le lavage
3.4.8. Appréciation globale des performances du pilote
4. MODELE DE LIT IMMERGE, NON-GRANULAIRE 
4.1. Introduction 
4.2. Développement du modèle 
4.3. Identification et calcul des pararamètres du modèle 
4.3.1. Calcul du coefficient kg
4.3.2. Calcul du coefficient kL’
4.3.3. Estimation de la fonction /(u )
4.4. Influence de la température et nature des coefficients kg et kL1
4.5. Durée du cycle 
4.6. Phase B, hors cycle 
4.7. Discussion 
5. MODE DE DIMENSIONNEMENT 
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
ANNEXE 1 : Fiche technique du géotextile ENKAMAT
ANNEXE 2 : Mesures de la masse du biofilm
ANNEXE 3 : Résultats de l’analyse écologique
ANNEXE 4 : Automatisation du lavage. Circuit électrique
ANNEXE 5 : Mesure de l’oxygène dissous
ANNEXE 6 : Résultats du suivi du pilote
ANNEXE 7 : Résultats des traçages
ANNEXE 8 : Programme pour le tracé de la distribution du temps de séjour
ABREVIATIONS ET SYMBOLES

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