Étude de l’évolution de l’azote ammoniacal dans un chenal algal à haut rendement en mode étage
31 janvier 2022Paru dans le N°448
à la page 78 ( mots)
Rédigé par : Soukaina ALAOUI de École Mohammadia d’Ingénieurs Rabat (Maroc) et jamal EDDINE JELLAL de Laboratoire de Génie Civil Structure Traitement...
L’objectif de cette étude est de réaliser une modélisation numérique pour suivre l’évolution de l’azote ammoniacal, au cours d’un traitement secondaire par le chenal algal à haut rendement en mode étage (CARET) selon le dispositif en série pendant les périodes diurnes et nocturnes et de déterminer les principaux facteurs responsables de leur élimination. Nous avons utilisé pour cela le logiciel ANSYS Fluent puisqu’il possède des capacités énormes pour la résolution des problèmes biologiques et chimiques complexes, donnant des résultats divers et décrivant le fonctionnement réel du système étudié.
En effet, sous les conditions opératoires simulées : la concentration en azote ammoniacale dans les deux chenaux diminue pendant la période diurne (7h à 19h) grâce au processus de l’assimilation algale et aux phénomènes d’origine chimique « le stripping » ; pendant la période nocturne (19h à 7h) la disparition de ses processus et l’implantation du processus de respiration des algues et l’oxydation de la matière organique entraîne une élévation des concentrations de l’azote ammoniacal.
Le chenal algal à haut rendement s’avère comme système de traitement biologique fiable et adéquat aux conditions climatiques et socio-économiques pour des pays comme le Maroc. Ce type de lagunage, conçu au début des années soixante par (w.J. OSWALD, 1963) constitue un écosystème différent des bassins de lagunage classique. En effet, il est caractérisé par des temps de séjour très inférieurs (2 à 6 jours), des profondeurs plus faibles (30 à 60 cm) et par une agitation mécanique constante, créée par une roue à aubes, de façon à maintenir une homogénéisation de la masse d’eau et à favoriser le développement algal (SHELEF et al, 1980 ; Jellal J. 1994). Cette agitation rend négligeable l’action des coups de vent et leur incidence dans le déclenchement des successions saisonnières (REYNOLDS, 1989).
Figure 1 : Procédé d’épuration des eaux usées par la symbiose algues bactéries (d’après Oswald, 1957).
Dans le but d’augmenter sa capacité en charge organique, un système étagé est proposé en tant que solution d’optimisation qui permettra de :
• Rendre le système intensif.
• Adapter le système à une agglomération plus grande par le biais d’une augmentation de la population desservie.
Notre étude porte sur le suivi de l’évolution de l’azote ammoniacal qui représente le produit final de la réduction de l’azote organique avec un pourcentage de 66 % (bontoux, 1983). Car ce dernier constitue un facteur déterminant de l’efficacité d’un système d’épuration biologique aérobie. En effet, l’ammonium et les nitrites à des concentrations élevées peuvent déclencher, non seulement le phénomène d’eutrophisation des écosystèmes aquatiques, mais sont à des degrés variables toxiques pour les microalgues en ce sens qu’ils affectent leur activité photosynthétique (Abeliovich, 1992).
Pour pouvoir modéliser l’hydrodynamique le CARET et de modéliser l’évolution de l’azote ammoniacal, nous avons utilisé pour cela le logiciel ANSYS Fluent (version académique). Dans un premier temps, il a fallu cerner les différents phénomènes et mécanismes gouvernant le fonctionnement du chenal algal à haut rendement en mode étage, et valider le modèle numérique à l’aide de études expérimentales et théoriques déjà effectuées sur le chenal algal à haut rendement.
Nous avons ensuite utilisé ce modèle pour étudier l’évolution de l’azote ammoniacal dans le CARET pendant les périodes diurnes et nocturnes pour la disposition en série qui consiste à faire acheminer, d’une manière gravitaire, les eaux issues des bassins anaérobies vers le chenal algal d’en haut, où elles sont traitées, puis acheminées vers le chenal algal d’en bas, à travers une conduite en cascade afin d’améliorer l’aération de l’effluent.
Les objectifs de cette étude sont donc :
1) suivre l’évolution de l’azote ammoniacal dans le CARET pendant les périodes diurnes et nocturnes,
2) déterminer les principaux facteurs responsables de leur élimination.
Matériel et méthodes
Principe de fonctionnement
Le CAHR est un réacteur photosynthétique dans lequel cohabitent des micro-algues photo-autotrophes avec des bactéries hétérotrophes. Ces bactéries hétérotrophes dégradent la matière organique pour la transformer en dioxyde de carbone (CO2), en azote ammoniacal et en phosphates nécessaires au développement des microalgues (w.J. OSWALD, 1963 ; El Halouani, 1990).
Grâce à la fonction chlorophyllienne, les microalgues synthétisent la matière organique à partir de l’énergie solaire, du gaz carbonique et des sels dissous en libérant de l’oxygène qui peut être consommé par les bactéries minéralisantes (w.J. OSWALD, 1963 ; El Halouani, 1990).
Description du modèle (CARET)
La géométrie réelle du chenal algal à haut rendement de la station pilote l’IAV (Rabat) et de la roue de mixage associée a été conçue dans Design Modeler, logiciel de conception 3D disponible dans ANSYS Workbench. Nous avons présenté en premier lieu huit tronçons rectilignes horizontaux de longueur 50 m reliées par neuf coudes de rayon de courbure 3M, et séparés par des murs d’une épaisseur de 10 cm.
Figure 2 : Vue en perspective du système algal en mode étage.
En deuxième lieu, nous avons présenté le canal répartiteur sous forme d’un tronçon rectiligne vertical relié au tronçon horizontal haut et bas par 4 coudes de rayon de courbures 3M et 6 m.
La géométrie du chenal algal à haut rendement en mode étage obtenue est montrée sur la figure 2.
Hydrodynamique du CARET
Le fluide au sein du chenal étant un mélange d’eau usée et d’algues microscopiques, la concentration en algues est trop faible pour influencer les caractéristiques physiques du liquide. Par conséquent, le fluide sera désormais considéré comme newtonien (Buelna G. et al, 1984).
Pour une vitesse moyenne d’écoulement de 15 cm/s, qui correspond à la vitesse recommandée par OSWALD pour un fonctionnement optimal et économique, les paramètres hydrauliques d’écoulement sont présentés dans le tableau 1.
La synthèse de ces paramètres nous renseigne sur la nature du mélange ainsi que celle de l’écoulement. Le nombre de Mach étant inférieur à 1, nous pouvons alors considérer l’écoulement comme incompressible. Un nombre de Reynolds supérieur à 2 400 fait que l’écoulement soit turbulent. Quant au nombre de Froude il est inférieur à 1, il nous renseigne sur le régime de l’écoulement qui est fluvial.
Équations de l’hydrodynamique
Les équations principales qui régissent l’hydrodynamique du CARET sont :
L’équation de continuité :
L’équation de quantité de mouvement :
L’équation de l’énergie :
Avec :
Keff : la conductivité effective définie par :
Keff = Kmoy + Ktur tel que Kmoy : la conductivité moyenne ; Ktur : la conductivité turbulente
Je : le flux de diffusion propre à l’espèce j.
E : est donné par la relation :
h : l’enthalpie sensible, pour un fluide incompressible, tel que :
L’équation de transport :
Avec :
Vi : composante de la vitesse suivant un axe ;
Yi : fraction massique de chaque espèce ;
Ri : taux de réaction ou Taux de production de l’espèce i ;
Jj : flux de diffusion de l’espèce i dû au gradient de concentration.
Choix des modèles hydrodynamique
a) Modèle de viscosité :
Le modèle de viscosité choisit est k-epsilon RNG et le traitement à proximité des parois a été réglé sur fonctions standards au voisinage des parois (standard wall functions).
Figure 3 : Vue en perspective du système algal en mode étage.
b) Modèle des espèces :
Le modèle choisi est « Transport des espèces » avec des réactions volumétriques. Les options ont été réglées sur : Diffusion de l’entrée et Diffusion énergétique et thermique.
L’interaction chimie-turbulence a été réglée sur « Finite Rate – Eddy Dissipation ».
Simulation
a) le maillage :
L’analyse en mécanique des fluides numérique (CFD) nécessite la subdivision du domaine en sous-domaines plus petits et non chevauchants afin de résoudre les caractéristiques de l’écoulement dans la géométrie du domaine qui a été créé.
b) Les conditions aux limites
Pour pouvoir effectuer la simulation, certaines conditions aux limites dans les géométries élaborées doivent être données en accord avec les informations de base du logiciel.
On impose les conditions aux limites suivantes :
Résultats
Chenal haut
Figure 4 : Contour de l’évolution d’azote ammoniacal dans le chenal haut en période diurne.
a) Période diurne :
La figure 4 présente l’évolution de la concentration d’azote ammoniacal dans le chenal haut pour la période diurne (cf. figure 4):
On remarque que :
Au niveau de la zone entrée-roue, la concentration en azote ammoniacal est de (48,80 mg/l), puis elle diminue jusqu’à (26,3 mg/l) à une distance de 200 m, avant d’atteindre une concentration homogène de (12,47 mg/l) tout au long du chenal.
La concentration élevée au niveau de la zone entrée-roue est dûe à un apport local en substrat par l’effluent riche en azote ammoniacal.
La concentration en azote ammoniacal diminue progressivement à partir de la zone roue. Ceci peut être expliqué par le fait que plus nous nous éloignons de la zone de sortie de la roue, plus le taux d’assimilation de l’ammonium en biomasse augmente.
Figure 5 : Contour de l’évolution de l’azote ammoniacal dans le chenal haut en période nocturne.
b) Période nocturne :
Le résultat de la simulation est présenté sous forme graphique dans la figure 5.
La figure (5) présente une augmentation graduelle de la concentration en azote ammoniacal tout au long du premier tronçon. Depuis la zone entrée-roue, on note une augmentation progressive en azote ammoniacal, à partir d’une valeur minimum de 11,86 mg/l jusqu’à atteindre une concentration homogène de 24 mg/l. Ceci est dû au changement des voies métaboliques des algues de la photosynthèse vers la respiration.
Figure 6 : Contour de l’évolution d’azote ammoniacal dans le chenal bas en période diurne.
La concentration en azote ammoniacal est moindre au voisinage de l’entrée. Elle est de 11,86 mg/l.
Chenal Bas
a) Période diurne :
La variation de la concentration en azote ammoniacal dans le chenal bas pour la période diurne, s’effectue de manière identique à celle décrite pour le chenal haut, sauf que l’homogénéité s’établit à une distance plus courte de l’entrée avec une concentration de 10,06 mg/l. Car l’effluent à l’entrée provenant du chenal haut à subit un traitement dans le chenal haut.
Figure 7 : Contour de l’évolution de l’azote ammoniacal dans le chenal haut en période nocturne.
b) Période nocturne :
La variation de la concentration en azote ammoniacal dans le chenal bas pour la période nocturne s’effectue de façon similaire à celle déjà décrite pour la même période dans le chenal haut, sauf que les valeurs obtenues sont légèrement inférieures, cela est dû à la diminution de la concentration du substrat, qui implique une diminution des réaction d’oxydation.
Discussion
L’évolution des concentrations en azote ammoniacal durant le temps de séjours dans le CARET est différente selon que l’on est dans la phase diurne ou dans la phase nocturne pour les deux chenaux.
En effet pendant le jour (7h à 19 h), les teneurs en azote ammoniacal subissent une diminution au fur et à mesure que le temps passe, ceci est attribué principalement au phénomène de l’assimilation algale qui constitue le processus majeur et le plus important de l’élimination de l’azote ammoniacal dans le CARET. En effet, les algues par leurs activités photosynthétiques prélèvent les éléments minéraux des eaux usées et les incorporent dans leurs biomasses.
Le deuxième processus responsable de la réduction des teneurs en NH4+ est le stripping ou la volatilisation de l’ammoniac au niveau du chenal algal rendement, que ce soit en saison hivernale ou en saison estivale, le pH n’est pas aussi élevé et ne dépasse pas la valeur de 8 en hiver et de 8,8 en été (el haddad, 2000) , lorsqu’on sait que le stripping de l’ammoniac oblige des valeurs de pH basique élevées, on peut conclure que l’attribution du phénomène pour la réduction du taux de l’azote ammoniacal est plus au moins faible au niveau du CARET.
Pendant la nuit (19h à 7h), on assiste à une augmentation de la teneur en NH4+ au fur et à mesure que le temps passe. En effet, pendant la nuit, il y a changement des voies métaboliques des algues de la photosynthèse vers la respiration, donc les processus responsables de la réduction des teneurs en azote ammoniacal (principalement assimilation algale, secondairement le stripping) pendant le jour sont absents du milieu. On assiste plutôt à une dominance des phénomènes d’oxydation de la matière minérale.
En ce qui concerne le chenal bas, la charge entrante est très faible, ce qui donne la possibilité d’augmenter la charge polluante dans le chenal haut pour que ce dernier ne parvienne pas à épurer l’influent jusqu’à un stade avancé.
Conclusion
Les simulations effectuées sur le suivi de l’évolution des concentrations de l’azote ammoniacal dans le CARET, pendant les périodes diurnes et nocturnes et pour la disposition en série, ont permis de montrer l’existence de deux périodes d’évolution, ainsi la possibilité d’augmenter la charge polluante :
• Période diurne au cours de laquelle on assiste à une réduction des taux de l’azote ammoniacal au fur et à mesure que le temps passe, ceci est attribué au processus de la l’assimilation algale et la volatilisation.
• Période nocturne : caractérisée par une augmentation des concentrations d’azote ammoniacal. Cette période est caractérisée par l’absence de la photosynthèse et la dominance des processus d’oxydation, donc transformation de la matière organique vers la matière minérale, ce qui implique l’augmentation des teneurs de l’azote ammoniacal.
Bien que la modélisation développée ait pu prédire l’évolution de l’azote ammoniacal de dans le CARET, elle reste limitée. En fait, elle ne tient pas compte de plusieurs paramètres qui interviennent d’une façon primordiale dans la cinétique biologique, à savoir, le taux de mortalité des microorganismes, les inhibiteurs.
Remerciements : Ce travail a entièrement bénéficié du soutien financier du Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique (CNRST).
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