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Thèses en cours

Traitement et valorisation des flux secondaires en stations d’épuration : de la mesure à la modélisation
Perrine DEVOS Directrice de thèse : Sylvie GILLOT Encadrant : Ahlem FILALI (UR PROSE, Irstea Antony) & Paloma GRAU (CEIT, Espagne) 2019-2022
Dans un contexte de transition énergétique et de passage du traitement des eaux résiduaires à la récupération des ressources qu’elles contiennent, la question du traitement et de la valorisation des flux secondaires en stations d’épuration est cruciale. Ces flux, provenant principalement de la déshydratation des boues après traitement, peuvent contenir des quantités importantes d’azote et de phosphore qu’il convient de gérer au mieux pour : (i) ne pas impacter négativement la qualité des eaux traitées et (ii) limiter les surcoûts de traitement.

L’objectif du travail de thèse est de faire un état des lieux des technologies proposées pour le traitement et la valorisation des effluents issus des filières de traitement des boues de stations d’épuration, incluant ou non la méthanisation. Il s’agit dans un premier temps d’établir des protocoles de caractérisation de ces flux qui fournissent les données requises pour éclairer le choix de procédés de traitement/valorisation. Ces protocoles seront mis en œuvre sur deux ou trois sites à l’étude actuellement, et les résultats intégrés dans les modèles de fonctionnement des stations d’épuration. Différents scenarios seront ensuite comparés, à l’aide de la modélisation, en intégrant l’impact des choix effectués sur les performances globales de l’installation et les coûts associés (énergie et réactifs consommés).

Rétention et valorisation du phosphore contenu dans les eaux usées par filtre garni d’apatite (APatite for P RemOval and Valorisation: an Evaluation, APPROVE)
Laura DELGADO-GONZALEZ Directeur : Pascal Molle Encadrant : Mathieu Gautier (INSA) 2017-2020
La filière de filtres garnis d’apatites est un procédé qui permet de retenir le phosphore (P) par des mécanismes de précipitation et d’adsorption. Le procédé nécessite un investissement de départ pour la mise en œuvre, mais bénéficie ensuite d’une gestion simple et peu coûteuse : une solution adaptée aux stations d’épuration de petite taille. Une vingtaine de stations avec filtres garnis de Phosclean® (apatites naturelles granulées) a été mise en œuvre en France (de 385 à 4500 EH entre 2012 et 2016). Les objectifs ciblés dans le cadre de la thèse APPROVE sont : 1) évaluer le potentiel déphosphatant du produit commercial Phosclean® en conditions réelles (performances, tenue physique, pH, durée de vie…) avec notamment un retour d’expérience de terrain sur les stations existantes ; 2) mieux comprendre les mécanismes de rétention du P mis en jeu, en étudiant la rétention du phosphore sur des colonnes pilotes et les paramètres influençant leur cinétique.

 

Application de la tomographie à Rayons-X pour l’étude des Filtres Plantés des Roseaux à l’échelle du pore
German MARTINEZ-CARVAJAL Directeur : Pascal Molle Encadrant : Laurent Oxarango (Université Grenoble Alpes IGE) 2016-2019

Ce sujet de thèse porte sur l’application de la Tomographie à Rayons X (TRX) pour caractériser les Filtres Plantés des Roseaux (FPR) et modéliser leur fonctionnement à l’échelle du pore dans le but de mieux comprendre les phénomènes de transport et réaction chimique. Cette démarche est située dans un cadre plus globale où l’on vise à développer de modèles à description mécaniste en évitant la définition et calage de paramètres. Il s’agit de comprendre ce qui se passe à l’échelle du pore et générer de l’information pour alimenter des modèles à plus grande échelle tenant compte de la vraie complexité des milieux poreux. Ainsi, dans cette thèse, la faisabilité, les avantages et limites d’une étude des FPR par TRX sont abordés en premier lieu. Nombre résultats d’exploitation de données de tomographie sont illustrés. Ensuite deux applications sont envisagés: l’étude de la représentativité des informations obtenues par TRX et des premiers résultats de simulation de transport d’oxygène.

Méthode Innovante de Spatialisation des propriétés dans le Sol
Sara RABOULI Directeur : Pascal Molle Encadrants : Rémi CLEMENT, Vivien DUBOIS 2018-2021

En France, on considère le sol comme un réacteur biologique ou un exutoire pour les eaux usées domestiques traitées. Dans ces deux cas, la perméabilité du sol reste l’un des paramètres clé pour établir la capacité d’infiltration et indirectement le potentiel épuratoire. A ce jour, il n’existe pas de technique satisfaisante permettant d’évaluer globalement la perméabilité d’un sol hétérogène et sa variabilité à l’échelle d’une parcelle. Face à cette limite, les méthodes géophysiques fournissent des réponses rapides sur les variations des propriétés géophysiques du sol (résistivité électrique, conductivité électrique, vitesse d’une onde) sur de grands volumes, mais elles ne mesurent pas directement notre paramètre d’intérêt (perméabilité). L’objectif du projet MISS est de proposer une méthodologie de fusion bayésienne de données issues des mesures ponctuelles (Infiltromètre, pénétromètre..) et de méthodes géophysiques 2D/3D. Cette méthodologie permettra de cartographier en 2D ou 3D la distribution des propriétés du sol. Celle-ci est essentielle pour: i) une meilleure conception des ouvrages d’assainissement, en permettant d’intégrer dans les modèles de transfert hydrique une information distribuée 2D/3D, ii) un suivi de l’efficacité des ouvrages dans le temps, notamment pour caractériser et localiser les processus de colmatage.

Etude du captage du carbone dans le traitement des eaux usées par procédé « A » et décantation primaire améliorée chimiquement : vers la station d’épuration du futur a énergie positive.
Raja Sekhar GUTHI Directeur: Florent CHAZARENC Encadrant: Pierre BUFFIERE (INSA) 2019-2022

Cette thèse est réalisée dans le cadre d‘un partenariat industriel avec la société Saur, et adossée à un projet collaboratif financé par l’agence de l’eau RMC (Projet CAPTURE). Dans le contexte actuel, les eaux usées domestiques sont de plus en plus souvent considérées comme des ressources plutôt que comme des déchets. Le projet CAPTURE a pour ambition de développer deux procédés : la décantation primaire améliorée ou le procédé boues activées forte charge (procédé A) pour améliorer la capture de carbone et la valorisation par digestion anaérobie. L’objectif de cette thèse de doctorat est de déterminer des éléments de connaissances sur ces deux procédés et d’optimiser leur mise en œuvre en conditions semi-contrôlées pour maximiser le captage de carbone.

Objectifs spécifiques de recherche :

  • Caractériser et optimiser les performances épuratoires des deux procédés pour la maximisation de la capture du carbone.
  • Caractériser les mécanismes épurateurs des deux procédés afin de maximiser la fraction de carbone captée mobilisable par digestion anaérobie.
  • Intégrer les résultats obtenus pour estimer l’impact de l’insertion de ces procédés sur les étapes avales (méthanisation des boues, fraction MO résiduelle, valorisation des nutriments de la fil boues, traitement de l’azote de la fil eau).

Méthodologie :

     1. Essais en régime permanent en conditions semi-contrôlées

–          Procédé-A : à l’échelle colonne (Vtot : 400 L) et pilote (Vtot :3 m3);

–          Décantation améliorée : essais statiques (jar tests + colonnes de décantation) et dynamiques (suivi d’un dispositif comprenant un décanteur de 40 L).

    2. Suivis analytiques par analyse du fractionnement de la matière organique et estimation de la contribution de chaque voie métabolique (biosorption, stockage et minéralisation).

         3. Modélisation des résultats obtenus dans un logiciel dédié (approche mécanistique).