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11/10/2018
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Modélisation de la station Seine Aval – Vers une optimisation en temps réel des coûts d’exploitation et environnementaux
Jialu Zhu, Jean Bernier, André Pauss, Peter A. Vanrolleghem, Vincent Rocher
Journée Information Eaux 11/10/2018, Poitiers
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Introduction
Les exigences règlementaires et l’urbanisation• Augmentation de la capacité de traitement• Applications de nouvelles technologies de traitement
Traitement économique et durable
• Diminuer la consommation d’énergie et des réactifs• Diminuer les impacts environnementaux pendant le traitement
Développer et appliquer des modèles mathématiques
Simuler, Contrôler et Optimiser les traitements de STEP
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Introduction
• MOCOPEE – Projet NEXTSTEP
Réseaux d’assainissement
Stations d’épuration
La seine
Système d’assainissement
MOCOPEE : MOdélisation, Contrôle et Optimisation des Procédés d’Epuration des Eaux
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La modernisation de la station de Seine Aval
Décantationprimaire
Réacteurs de boue activée
ClarificationEntrée Prétraitée
84 Biofiltres nitrifiants
30 Biofiltres post-dénitrifiants
Sortie
Avant la modernisation
- Débit de traitement nominal : 1,7 million m3/d - 5 millions habitants
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La modernisation de la station de Seine Aval
Décantation primaire temporaire
58 Biofiltres pré-dénitrifiants
84 Biofiltres nitrifiants
12 Biofiltres post-dénitrifiants
6 lignes bioréacteurs à membranes
Sortie
Sortie
Entrée Prétraitée
Actuelle (à partir de 2017)
Décantation primaire temporaire
58 Biofiltres pré-dénitrifiants
84 Biofiltres nitrifiants
12 Biofiltres post-dénitrifiants
6 lignes bioréacteurs à membranes
Sortie
Sortie
Entrée Prétraitée
Dans l’avenir (2022)
Décantation lamellaire
physico-chimique
Décantationprimaire
Réacteurs de boue activée
ClarificationEntrée Prétraitée
84 Biofiltres nitrifiants
30 Biofiltres post-dénitrifiants
Sortie
Avant la modernisation
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Les objectifs de modélisation
1. Développer des modèles de filières de traitement afin de simulerleurs comportements et d’évaluer leurs impacts économiques etenvironnementaux
2. Développer et utiliser des modèles comme outils d’aide à ladécision pour la distribution de l’eau entre les filières en fonction dedifférents scénarios (débit et charge) en entrée de station et desconsignes à la sortie
3. Développer et utiliser les modèles comme outils de régulation et decontrôle en fonction des scénarios et des consignes à la sortie.
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Modélisation pour la filière de biofiltration
Cellule BIOSTYR® Eaux avec les particules
Filtration
Biofilm détaché
Lavage
Eaux de lavageEaux traitées
Fonctionnement d’un biofiltre
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Description du modèle développéDescription du modèle I – Modèle original (Bernier e t al., 2014)
Couche limite constante
L’eau à traiter
Biofilm couche 1
Biofilm couche 2
Média réacteur 2
Diffusion (Composants solubles)
Echange/Détachement (particules)
Echange de média filtrant
Couche limite constante
L’eau à traiter
Biofilm couche 1
Biofilm couche 2
Média réacteur 1
Filtration (particules)
Etage de surverse
Etage de média
Réacteur 6Réacteur 5Réacteur 4Réacteur 3Réacteur 2Réacteur 1
• Biofiltre hydraulique• Transport des composants• Biofilm en deux couches• Réactions biologiques
Réacteur 7
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Phase gazeuse
Description du modèle développéDescription du modèle II – Modification du modèle (T ransport des composants)
Couche limite dynamique
L’eau à traiter
Couche biofilm 1
Couche biofilm 2-4
Média réacteur 2
Diffusion (Composants solubles) Echange/Détachement (Particules)
Echange de média filtrant
Couche limite dynamique
L’eau à traiter
Couche biofilm 1
Couche biofilm 2-4
Média réacteur 1
Filtration (Particules)
Couche biofilm 5 Couche biofilm 5
Phase gazeuse
Transfert liquide-gaz
WEST
• Couche limite avec épaisseur variable
• Plus de couches biofilm
• Filtration est considérée comme phénomène principal
• Transfert liquide-gaz
• Amélioration d’échange de média
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Description du modèle développé
Description du modèle III –Réactions biologiques et consommation énergétique
NH4+ NH3 NH2OH NO NO2
- NO3-
N2O
N2O
NO2- NO N2O N2
• Hiatt & Grady, 2008 • Pocquet et al., 2016
Facteurs limitants pour la croissance: Ammonium et phosphate
Réactions de nitrification
Réactions de dénitrificationRéactions de N2O émission
N2O
Pompage de l’eau à traiter (selon Gernaey et al., 2006)
Aération (selon Wu et al., 2005)
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Avant la modernisation (2009)
Actuelle (2017)
Décantation primaire temporaire
58 Biofiltres pré-dénitrifiants
84 Biofiltres nitrifiants
12 Biofiltres post-dénitrifiants
6 lignes bioréacteurs à membranes
Sortie
Sortie
Entrée Prétraitée
Décantationprimaire
Réacteurs de boue activée
ClarificationEntrée Prétraitée
84 Biofiltres nitrifiants
30 Biofiltres post-dénitrifiants
Sortie
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Données capteurs Endroit des capteurs
NH4+ Entrée/Sortie
MES Entrée
PO43- Entrée
NO3- Sortie
OD Sortie
Température Entrée
Débit d’eau Entrée
Débit d’air Entrée
Données collectées à l’étage de la nitrification
* La DCO soluble n’est disponible que pour l’année 2017.
Données laboratoireLocalisation des
préleveursDCO Entrée/Sortie
DCO soluble* Entrée/Sortie
MES Entrée/Sortie
NH4+ Entrée/Sortie
NO3- Entrée
NO2- Entrée/Sortie
NTK Entrée
Alcalinité Entrée
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Analyse de la sensibilité globale
CalibrationTests et ajustement des valeurs des paramètres
Validation
Analyse de la sensibilité globale et calibration (S in et al., 2008 et Sin et al., 2011)
• Identifier les paramètres influant• Réduire le nombre de paramètres à calibrer
• Trouver les valeurs optimales pour les paramètres en calculant les scores statistiques
• 30 jours de vacances estivales• Charge de pollution diminue • Performance sous variations saisonnières
• 60 jours après les vacances• L’année 2009 entière• Ajustement manuel des paramètres
• 180 jours de l’année 2017 • Changement de la configuration• Vieillissement des appareils d’aération
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Prédiction de la NH 4+ en sortie
EMA=2,68 mgN/L
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Prédiction de la NH 4+ en sortie
EMA=1,05 mgN/L
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Résumés des scores statistiques
Année 2009 (Calibration) Année 2017 (Validation)
Variable NMoyenne observée
EMA NMoyenne observée
EMA
NH4+ (gN/m³) 27048 5,55 2,68 14841 2,30 1,05
NO3- (gN/m³) 34272 34,04 4,35 14841 19,12 2,44
OD (gO2/m³) 33313 6,63 0,69 17226 6,40 1,02NO2
- (gN/m³) 329 0,78 0,36 178 0,77 0,57DCO (gO2/m³) 331 62,30 10,50 180 41,50 4,20
MES (g/m³) 332 21,60 8,50 180 10,70 2,50PO4
3- (gP/m³) 329 0,39 0,12 180 0,76 0,15
N: Nombre de données validées EMA: Erreur moyenne absolue
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Avant la modernisation (2009)
Actuelle (2017)
Décantation primaire temporaire
58 Biofiltres pré-dénitrifiants
84 Biofiltres nitrifiant
12 Biofiltres post-dénitrifiants
6 lignes bioréacteurs à membranes
Sortie
Sortie
Entrée Prétraitée
Décantationprimaire
Réacteurs de boue activée
ClarificationEntrée Prétraitée
84 Biofiltres nitrifiants
30 Biofiltres post-dénitrifiants
Sortie
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Aération en 2017 EMA= 38,5 kWh
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Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
Pompage en 2017 EMA= 33,4 kWh
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
Prédiction des NOx en sortie 2008 EMA=1,31 mgN/L
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• Introduction
– La modernisation de la station de Seine Aval (SAV)
– Les objectifs de la modélisation
• Modélisation pour la filière de biofiltration
– Description du modèle développé
– Calibration et validation pour l’étage de la nitrification
– Avancement pour l’étage de la post-dénitrification
• Conclusion et perspectives
Plan
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Conclusions et perspectives
• Un modèle de biofiltration a été développé– Multi-réactions (nitrification et dénitrification)
– Biofilm en 5 couches
– Consommation d’énergie et émissions de N2O
– Filtration, détachement, échange de biofilm
• Calibration et validation du modèle– Différentes périodes et configurations
– Différents types de biofiltres (Biostyr et Biofor)
– Données intensives (Données capteurs)
• Perspectives– Calibration/Validation pour la pré-dénitrification
– Modèle de la filière de la biofiltration (Contrôle et optimisation)
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Référence
• Bernier J., Rocher V., Guerin S. & Lessard P. 2014 Modelling the nitrification in a full-scale tertiary biological aerated filter unit. Bioprocess and Biosystems Engineering, 37 (2), 289-300.
• Gernaey K. V., Nopens I., Vrecko D., Alex J. & Dudley J. 2006 An updated proposal for including further detail in the BSM2 PE calculation. Internal BSM2 Task Group document, IWA, London, UK.
• Hiatt W.C. & Grady C. P. L. Jr. 2008 An updated process model for carbon oxidation, nitrification, and denitrification. Water Environment Research, 80 (11), 2145-2156.
• Pocquet M., Wu Z., Queinnec I. & Spérandio M. 2016 A two pathway model for N2O emissions by ammonium oxidizing bacteria supported by the NO/N2O variation. Water Research, 88, 948-959.
• Sin G., De Pauw D. J. W., Weijers S. & Vanrolleghem P.A. 2008 An efficient approach to automate the manual trial and error calibration of activated sludge models. Biotechnology and Bioengineering, 100 (3), 516-528.
• Sin G., Gernaey K. V., Neumann M. B., van Loosdrecht M. C. M. & Gujer W. 2011 Global sensitivity analysis in wastewater treatment plant model applications: prioritizing sources of uncertainty. Water Research, 45 (2), 639-651.
• Wu Y., Chen Q. & Liu S. 2005 Fans and Compressors (first edition), Tsinghua University Press, Beijing, China. (en Chinois)
Merci pour votre attention
Pour suivre notre projet de modélisation: http://www.mocopee.com/