Analyse and modelling of nitrous oxide emissions from full-scale tertiary nitrifying biological aerated filters

Le protoxyde d’azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre (GES) jouant un rôle clé dans la destruction de la couche d’ozone. Principalement d’origine naturelle, il est également émis par les procédés de traitement des eaux résiduaires lors du traitement biologique de l’azote par nitrification et dénitrification. Dû à son fort pouvoir de réchauffement global, équivalent à 300 fois celui du dioxyde de carbone, le N2O contribue significativement au bilan carbone des stations d’épuration. Depuis une dizaine d’années, des efforts ont été consacrés à la compréhension des mécanismes de production du N2O et à l’évaluation in situ de ces émissions, ce qui a conduit au développement de modèles mécanistes. Ces derniers ont, pour l’instant, principalement été appliqués aux procédés à biomasse libre et très peu aux procédés à biomasse fixée. Or, de récentes mesures réalisées sur les unités de biofiltration de la station Seine Aval (~ 5 millions d’équivalents-habitants) indiquent des taux d’émission du N2O élevés, bien supérieurs à ceux des procédés conventionnels à boues activées. L’objectif de cette thèse était d’approfondir la compréhension des mécanismes sous-jacents aux émissions de N2O par les unités de biofiltration en nitrification tertiaire. A cette fin, un modèle de biofiltration représentant le fonctionnement des biofiltres nitrifiants de la station de Seine Aval a été étendu pour y inclure les principales voies biologiques de production de N2O. L’évaluation de l’influence de la représentation du transfert gaz/liquide sur les performances de traitement de l’azote et la répartition des flux de N2O entre les phases gazeuse et liquide a montré que la prise en compte d’un bilan matière sur la phase gazeuse avait un impact relativement faible sur le transfert de matière de l’oxygène. A contrario, celle-ci s’avère indispensable à la représentation des échanges gaz/liquide du monoxyde d’azote (NO) et du N2O. Afin d’étudier les mécanismes à l’origine de la production de N2O, le modèle biocinétique a par ailleurs été calé sur un jeu de données comprenant deux ans de fonctionnement des biofiltres et incluant deux périodes pour lesquelles les flux de N2O ont été mesurés expérimentalement. Une analyse de sensibilité globale a permis d’identifier l’effet dominant des paramètres affectant l’accumulation de nitrites, un précurseur de la production de N2O, sur les concentrations de N2O. Avec une modification de seulement 7 paramètres (sur plus de 90), le modèle s’avère capable de prédire les performances de traitement de l’azote ainsi que l’ordre de grandeur et les principales dynamiques des flux de N2O mesurés lors de deux campagnes. Le modèle calé a par la suite été employé pour extrapoler les émissions sur l’ensemble de la période d’étude et analyser l’effet des conditions opératoires sur les mécanismes de production. Le facteur d’émission de N2O (FE), qui correspond à la proportion d’ammonium appliquée émise en N2O, était en moyenne de 2,2%, soit plus de 60 fois le FE usuellement employé pour l’établissement des bilans d’émission de GES des stations d’épuration. Ce facteur varie de 0,3 en 4,4%, en lien avec la charge ammoniacale appliquée, les débits d’air, et la température. Sur la base de ces résultats, des leviers de réduction des émissions ont été identifiés et un modèle statistique a été établi afin de proposer une nouvelle méthodologie de quantification des émissionsNitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas (GHG), playing a major role in the ozone layer depletion. Mainly from natural origin, it is also emitted by wastewater treatment processes, during biological nitrogen removal through nitrification and denitrification. Because of its high global warming potential, about 300 times the one of carbon dioxide, N2O contributes significantly to the carbon footprint of wastewater resource recovery facilities (WRRF). For the last decade, considerable efforts have been made to understand the mechanisms of N2O production and evaluate in situ emissions, which led to the development of mechanistic models. The latter have been mainly applied to suspended biomass systems, and rarely to fixed biomass processes. Yet, recent measurements performed on biologically active filters (BAF) of Seine Aval WRRF (~ 5 million people equivalents) indicated high N2O emissions, much higher than those measured on conventional activated sludge systems. The objective of this PhD thesis was to increase knowledge on the comprehension of N2O production mechanisms in tertiary nitrifying BAFs. To this end, a BAF model describing the functioning of Seine Aval tertiary nitrification units was extended to include the main biological N2O production pathways. Studying the influence of the gas/liquid transfer representation on the prediction of nitrification performances and the gas/liquid partition of N2O fluxes showed that considering a mass balance on the gas phase did not significantly affect oxygen transfer. In contrast, including a mass balance was found essential to represent gas/liquid exchanges of nitric oxide (NO) and N2O. To investigate the triggers of N2O production, the biokinetic model was calibrated on a dataset including two years of functioning of the nitrification stage and two periods during which N2O fluxes were measured. A sensitivity analysis highlighted the major effect of parameters controlling the accumulation of nitrite, a precursor to N2O production, on the prediction of N2O concentrations. By modifying 7 parameters only (on over 90), the model was able to predict nitrification performances and the order of magnitude and main dynamics of N2O fluxes measured during both measuring campaigns. The calibrated model was then used to extrapolate the predictions on the entire period of study, and analyze the effect of operating conditions on N2O production mechanisms. The N2O emissions factor (EF), which corresponds to the proportion of influent ammonium emitted as N2O, was on average 2.2%, which is over 60 times the factor generally applied to estimate the GES balance of WRRFs. This factor fluctuates from 0.3 to 4.4%, mainly in correlation to the applied ammonium load, airflow rates, and temperature. Based on these results, mitigation levers were identified, and a statistical model was proposed as an alternative methodology to quantify N2O emissions